Les chercheurs développent une méthode pour que les réseaux neuronaux artificiels communiquent avec les réseaux biologiques

Un groupe de chercheurs a développé un moyen pour que les réseaux neuronaux artificiels communiquent avec les réseaux neuronaux biologiques. Ce nouveau développement constitue un grand pas en avant pour les appareils neuroprothétiques, qui remplacent les neurones endommagés par des circuits neuronaux artificiels. 

La nouvelle méthode repose sur la conversion des signaux électriques de pointe artificiels en un motif visuel. Celui-ci est ensuite utilisé, via une stimulation optogénétique, pour synchroniser les neurones biologiques. 

L’article intitulé « Toward neuroprosthetic real-time communication from in silico to biological neuronal network via patterned optogenetic stimulation » a été publié dans Scientific Reports.

Technologie neuroprothétique

Une équipe internationale dirigée par le chercheur Ikerbasque Paolo Bonifazi de l’Institut de recherche en santé Biocruces à Bilbao, en Espagne, a entrepris de créer une technologie neuroprothétique. Il a été rejoint par Timothée Levi de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo.

L’un des plus grands défis entourant cette technologie est que les neurones du cerveau sont extrêmement précis lorsqu’ils communiquent. Lorsqu’il s’agit de réseaux neuronaux électriques, la sortie électrique n’est pas capable de cibler des neurones spécifiques. 

Pour contourner cela, l’équipe de chercheurs a converti les signaux électriques en lumière. 

Selon Levi, « les progrès de la technologie optogénétique nous ont permis de cibler avec précision les neurones dans une très petite zone de notre réseau neuronal biologique ».

Optogénétique

L’optogénétique est une technologie qui repose sur les protéines sensibles à la lumière trouvées dans les algues et les autres animaux. Lorsque ces protéines sont insérées dans les neurones, la lumière peut être projetée sur un neurone pour le rendre actif ou inactif, selon le type de protéine. 

Les chercheurs ont utilisé des protéines spécifiques qui étaient activées par la lumière bleue dans le projet. La première étape consistait à convertir la sortie électrique du réseau neuronal de pointe en un motif en damier composé de carrés bleus et noirs. Ce motif a ensuite été projeté par la lumière sur un carré de 0,8 x 0,8 mm du réseau neuronal biologique, qui se développait dans un plat. Lorsque cela s’est produit, seuls les neurones touchés par la lumière provenant des carrés bleus ont été activés. 

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Une activité synchrone est produite dans les neurones cultivés chaque fois qu’il y a une activité spontanée. Cela donne lieu à un type de rythme basé sur la façon dont les neurones sont connectés, les différents types de neurones et leur adaptation et leur évolution. 

« La clé de notre succès », dit Levi, « était de comprendre que les rythmes des neurones artificiels devaient correspondre à ceux des neurones réels. Une fois que nous avons pu le faire, le réseau biologique a pu répondre aux « mélodies » envoyées par le réseau artificiel. Les résultats préliminaires obtenus lors du projet European Brainbow nous ont aidés à concevoir ces neurones artificiels biomimétiques ».

Les chercheurs ont finalement trouvé la meilleure correspondance après que le réseau neuronal artificiel ait été accordé à différents rythmes, et ils ont pu identifier les changements dans les rythmes globaux du réseau biologique.

« L’intégration de l’optogénétique dans le système est un progrès vers la praticité », dit Levi. « Cela permettra aux futurs appareils biomimétiques de communiquer avec des types spécifiques de neurones ou dans des circuits neuronaux spécifiques ».

Les futurs appareils prothétiques développés avec le système pourraient remplacer les circuits cérébraux endommagés. Ils pourraient également restaurer la communication entre les différentes régions du cerveau. Tout cela pourrait conduire à une génération extrêmement impressionnante de neuroprothèses.