Un bio-ordinateur, avec de vrais mini-cerveaux cultivés en laboratoire, sera t’il l’intelligence artificielle du futur ?
Beaucoup s’inquiète des systèmes d’intelligence artificielle et de leur capacité à tout bousculer. Mais cette vision limitée ne doit pas nous faire oublier ce qu’il est possible de réaliser en exploitant l’intelligence naturelle, qui est plusieurs fois plus performante dans certains domaines informatiques que les IA et les plus puissants superordinateurs.
Image d’entête : agrandissement d’un organoïde cérébral développé en laboratoire avec un marquage fluorescent pour différents types de cellules. (Rose – neurones, rouge – oligodendrocytes, vert – astrocytes, bleu – tous les noyaux cellulaires. (Thomas Hartung/ Université Johns Hopkins)
Imaginez maintenant à quel point il serait extraordinaire de pouvoir combiner la puissance de calcul brute et la précision des ordinateurs en silicium avec les capacités cognitives du cerveau humain. Mais une telle chose est-elle possible ? En fait, elle pourrait l’être, selon un groupe international d’éminents scientifiques qui ont exposé leur plan pour une « intelligence organoïde » (IO) rendue possible par des bio-ordinateurs qui utilisent de véritables cellules du cerveau humain plutôt que des transistors pour stocker, récupérer et traiter les informations.
Lorsque l’on voit des ordinateurs battre des maîtres humains à plate couture dans des jeux complexes, comme les échecs ou le go, il est facile de tomber dans le piège de penser qu’ils nous sont supérieurs dans tous les domaines de la pensée, ce n’est pas le cas.
Commençons par reconnaître qu’il existe de nombreuses similitudes entre l’architecture du cerveau et celle d’un ordinateur, les deux étant constitués de circuits largement séparés pour l’entrée, la sortie, le traitement central et la mémoire. C’est bien sûr à dessein, car les pionniers de l’informatique ont modélisé des machines à penser artificielles basées sur le cerveau humain. Par exemple, le livre bref mais profond The Computer and the Brain (L’ordinateur et le cerveau), écrit par le brillant et inégalé John von Neumann dans les années 1940, constitue toujours la base de la plupart des ordinateurs modernes.
Cependant, il existe également de profondes différences entre les deux architectures, l’une basée sur le silicium, l’autre biologique. Les ordinateurs peuvent effectuer des calculs au moins 10 millions de fois plus vite que le cerveau humain. La précision des calculs effectués par les humains est d’environ 1 sur 100, alors qu’un processeur 32 bits a une précision de 1 sur 4 milliards. Si vous voulez traiter des chiffres et des données brutes, les ordinateurs sont sans égal.
Mais demandez à un ordinateur si l’image d’une créature à quatre pattes représente une girafe ou un cheval et il sera en difficulté. Ou imaginez un joueur de basket-ball suivant la trajectoire d’un ballon qu’il se passe et déplace sur le terrain, tout en contractant constamment des centaines de muscles individuels pour bouger ses membres avec précision et en coordination avec les autres joueurs. Toutes ces tâches sont triviales pour l’humain, mais parfois carrément impossibles pour un ordinateur. De plus, le cerveau humain réalise tout cela pour une fraction de la consommation d’énergie d’un ordinateur numérique.
Au cours des dernières décennies, les informaticiens et les ingénieurs ont tenté de combler ce fossé en ajoutant davantage de caractéristiques du cerveau humain à la conception des ordinateurs. Les principes du parallélisme et de la modification de la force de connexion en fonction de l’utilisation ont été intégrés aux ordinateurs modernes grâce à l’utilisation de plusieurs processeurs, ou cœurs, dans un seul ordinateur. Les algorithmes d’apprentissage profond qui permettent aux machines d’identifier des objets ou la parole sont directement inspirés des systèmes des cortex visuel et auditif des mammifères.
Mais ces émulations pourraient atteindre leurs limites, et c’est là qu’intervient l’intelligence organoïde.
Depuis quelque temps déjà, les scientifiques expérimentent la culture tridimensionnelle de cellules cérébrales, appelées organoïdes de cerveau. Techniquement, il s’agit “d’organoïdes cérébraux », c’est-à-dire des organes miniatures ressemblant au cerveau, cultivés artificiellement in vitro. Ces cultures cellulaires se sont révélées être de formidables outils pour sonder certains aspects du cerveau humain, notamment la façon dont les neurones s’activent et établissent des connexions. Elles constituent également des terrains d’essai de choix pour le développement de médicaments et pour comprendre comment certaines maladies neurologiques, comme la maladie de Parkinson ou d’Alzheimer, affectent le cerveau humain.
Mais plus récemment, la perspective d’utiliser des organoïdes cérébraux comme bio-ordinateurs est devenue de plus en plus attrayante. L’année dernière, par exemple, des scientifiques de la start-up de biotechnologie Cortical Labs ont construit un hybride cerveau-organoïde-ordinateur capable d’apprendre à jouer au jeu vidéo classique Pong.
Ailleurs, des chercheurs ont combiné des cultures de neurones en 2D avec des puces informatiques.
Tout commence, curieusement, par un lot de cellules de peau humaine. Les cellules données sont placées sur une boîte de culture où des gènes sont introduits dans les cellules de la peau qui effacent essentiellement leur mémoire d’avoir été de la peau, les reprogrammant en cellules souches qui ont le potentiel de devenir n’importe quel type de cellule du corps humain, qu’il s’agisse de follicules pileux, de cellules du foie ou de neurones.
En baignant les cellules souches dans certains produits chimiques, les scientifiques peuvent orienter le destin de ces cellules vers le développement de neurones. Lorsque ces cellules sont injectées à l’intérieur d’une matrice de type gel, il est possible de cultiver des cellules cérébrales en trois dimensions, augmentant ainsi massivement la densité de neurones de l’organoïde. Ces structures ressemblent vaguement au cerveau humain en développement, avec notamment la présence d’axones tentaculaires qui se relient aux dendrites pour former des synapses ramifiées.
Le potentiel est là, c’est pourquoi un groupe de plus de 80 éminents chercheurs vient de proposer une feuille de route pour concrétiser une vision dans laquelle les organoïdes cérébraux constituent la base d’un nouveau type d’informatique utilisant du matériel biologique.
Dans leur nouvelle étude publiée cette semaine (lien plus bas), les chercheurs présentent l’état actuel des connaissances en matière d’OI et décrivent les diverses technologies en développement utilisées pour s’interfacer avec les organoïdes, les augmenter et les améliorer. Il s’agit notamment d’outils interdisciplinaires issus de divers domaines, tels que la bio-ingénierie et l’apprentissage automatique.
Un organoïde cérébral. ( Elke Gabriel)
Selon Thomas Hartung, professeur de sciences de la santé environnementale à l’université Johns Hopkins et à l’école d’ingénierie Whiting, qui est à l’origine de cette nouvelle initiative :
Lorsque j’ai annoncé à l’AAAS en 2016 que nous avions réalisé la production de masse standardisée d’organoïdes cérébraux, j’ai caractérisé leur activité électrique spontanée en disant « ils pensent ». Certains participants ont été choqués par cela et ont demandé s’ils étaient conscients. J’ai répondu qu’ils ne pouvaient pas l’être, car ils n’ont rien à quoi penser sans entrée ni sortie. C’est ce que nous sommes en train de changer, et je crois fermement que l’informatique biologique est la future génération probable de l’IA.
Outre la superposition de l’informatique, l’IO a également un potentiel considérable dans le domaine des soins de santé et des neurosciences. En sondant directement les organoïdes, les scientifiques peuvent étudier comment les souvenirs se forment dans le cerveau, mais aussi comment des maladies débilitantes et (actuellement) incurables comme la maladie d’Alzheimer provoquent la désintégration de ces souvenirs.
Thomas Hartung avec des organoïdes de cerveau dans son laboratoire de l’école de santé publique Johns Hopkins Bloomberg. (Will Kirk/ Université Johns Hopkins)
Mais avant que cette vision puisse être pleinement mise en œuvre, de nombreux problèmes doivent être résolus. En 2012, l’équipe de Hartung a assemblé des organoïdes cérébraux composés d’environ 50 000 cellules, ce qui correspond à peu près à la taille du système nerveux d’une mouche à fruits. Toutefois, pour atteindre le même type de puissance de calcul que celle des ordinateurs actuels, il faudrait des millions, voire des milliards de neurones. Il faudra peut-être des décennies avant que l’IO puisse être aussi intelligente qu’une souris.
Concernant le schéma ci-dessous, à partir de l’étude :
Architecture d’un système IO pour le calcul biologique. Au cœur de l’IO se trouve la culture de cellules cérébrales en 3D (organoïde) qui effectue le calcul. Le potentiel d’apprentissage de l’organoïde est optimisé par les conditions de culture et l’enrichissement en cellules et gènes essentiels à l’apprentissage (y compris les IEG). L’évolutivité, la viabilité et la durabilité de l’organoïde sont assurées par des systèmes microfluidiques intégrés. L’organoïde peut recevoir différents types d’entrée, notamment des signaux électriques et chimiques, des signaux synthétiques provenant de capteurs mécaniques et des signaux naturels provenant d’organoïdes sensoriels connectés (par exemple, la rétine). Nous prévoyons des mesures de sortie à haute résolution, à la fois par des enregistrements électrophysiologiques obtenus par des AME 2D ou 3D (coquille) spécialement conçus, et potentiellement par des sondes implantables, ainsi que l’imagerie des propriétés structurelles et fonctionnelles de l’organoïde. Ces résultats peuvent être utilisés directement à des fins de calcul et comme rétroaction biologique pour favoriser l’apprentissage des organoïdes. L’IA et l’apprentissage automatique sont utilisés pour coder et décoder les signaux et pour développer des solutions de bio-informatique hybrides, en association avec un système de gestion des données volumineuses approprié.
(L. Smirnova et col./ Frontiers in Science)
Toujours selon Hartung :
Actuellement, nous devons mettre à l’échelle ces organoïdes, ce qui nécessite un apport en oxygène et en nutriments, et nous devons les interfacer avec autant d’électrodes que possible. Une véritable IA biologique compétitive par rapport à l’IA actuelle basée sur le silicium est certainement très loin, si elle est un jour réalisable. Cependant, nous pouvons en apprendre beaucoup sur la biologie de la cognition, définir les limites éthiques de ces recherches, les utiliser pour développer des médicaments ou comprendre les effets négatifs des produits chimiques présents dans notre environnement et éventuellement compléter les ordinateurs traditionnels par des composants biologiques.
Au stade actuel de cette recherche, l’utilisation de ces organoïdes ne devrait poser aucun problème moral. Il n’y a pratiquement aucune chance que ces blobs de neurones en 3D soient conscients, surtout si l’on considère que le niveau d’abstraction requis pour atteindre la conscience est, d’après ce que les neuroscientifiques savent pour l’instant, tributaire d’une entrée sensorielle. Un organoïde cérébral sans corps, qui n’est pas encore un cerveau, avec des informations sensorielles très limitées relayées par quelques électrodes ne pourra jamais atteindre la conscience, mais Hartung implique néanmoins activement des éthiciens dans toutes les étapes de ce processus, qu’il appelle « éthique intégrée ».
Si la vision de Hartung se concrétise un jour, la perspective de voir des « petits cerveaux » cultivés dans des plats devenir conscients, bien qu’encore lointaine, deviendra de plus en plus possible.
Les organoïdes sont minuscules, avec à peu près autant de neurones qu’une mouche domestique et pratiquement aucune entrée pertinente pour apprendre à connaître leur environnement (et eux-mêmes). Cependant, il est essentiel d’anticiper la manière dont cela pourrait évoluer et de définir les limites. Nous impliquons activement des éthiciens dans l’équipe. Notre approche « d’éthique intégrée » les implique en tant qu’observateurs et caisses de résonance de notre travail. Dans le même temps, ils interrogent le grand public pour comprendre ce qui les rend éventuellement mal à l’aise face à ce travail et quelles informations les aident à comprendre sa valeur et la responsabilité éthique prise.
Le cerveau humain, dans toute sa stupéfiante complexité, est le produit de millions d’années d’évolution. L’exploitation de cet énorme potentiel pourrait être absolument révolutionnaire. De nombreux défis restent à relever, mais cette nouvelle feuille de route devrait aider les scientifiques à mieux se coordonner afin de faire de cette vision une réalité.
Hartung mentionne qu’il existe aujourd’hui une communauté naissante de l’IO grâce à des initiatives telles qu’un atelier organisé en 2022 à Johns Hopkins, qui a débouché sur l’élaboration de la déclaration de Baltimore sur l’IO, qui sera publiée prochainement.
L’étude publiée dans Frontiers in Science : Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish et présentée sur le site de l’Université Johns Hopkins : Could future computers run on human brain cells?
