Biocomputing : les promesses de l’ordinateur biologique

Les pro­grès des neu­ros­ciences ouvrent la voie à la construc­tion d’ordinateurs bio­lo­giques, faits à par­tir de neu­rones et de tis­sus céré­braux. Cette inven­tion sera à la fois une rup­ture pour l’informatique et un outil pour la recherche fon­da­men­tale et l’étude des mala­dies humaines.

On les appelle par­fois mini­cer­veaux. Ces orga­noïdes céré­braux sont, en réa­li­té, des cultures de tis­sus céré­braux en trois dimen­sions. Ils pour­raient conduire à la pro­chaine révo­lu­tion de l’informatique : la nais­sance de l’intelligence orga­noïde (IO).

Pour rap­pel, et contrai­re­ment à ce que son nom sug­gère, l’intelligence arti­fi­cielle (IA) ne mime pas l’intelligence humaine. Elle fonc­tionne même de manière com­plè­te­ment dif­fé­rente. Il suf­fit de la regar­der jouer aux échecs : elle sacri­fie bien plus de pièces qu’aucun joueur humain¹. Autre dif­fé­rence : sa consom­ma­tion d’énergie. Ain­si, le record de capa­ci­té du super­or­di­na­teur Fron­tier, héber­gé aux Etats-Unis au sein du Labo­ra­toire natio­nal d’Oak Ridge, affiche en juin 2022 une capa­ci­té de 1,1 exa­flop (c’est-à-dire qu’il réa­lise jusqu’à 1,1 10¹⁸ opé­ra­tions par seconde), une per­for­mance équi­va­lente au cer­veau humain. Tou­te­fois, ce der­nier opère avec 20 Watts tan­dis que le super­or­di­na­teur amé­ri­cain exige 10MW…

L’intelligence orga­noïde (IO) pro­met, en revanche, de rap­pro­cher les deux sys­tèmes, en repro­dui­sant les per­for­mances com­pu­ta­tion­nelles des meilleurs ordi­na­teurs et la sobrié­té éner­gé­tique d’un cer­veau humain. Cette tech­no­lo­gie se construit au car­re­four de trois rup­tures tech­no­lo­giques : l’électrophysiologie, l’intelligence arti­fi­cielle et les orga­noïdes cérébraux.

L’électrophysiologie est indis­pen­sable pour com­mu­ni­quer avec les orga­noïdes céré­braux. Le défi est de trou­ver un sys­tème non-inva­sif qui ren­dra compte des mul­tiples signaux élec­tro­chi­miques pré­sents chaque seconde dans la petite masse de tis­sus en culture. Pour cela, des cher­cheurs d’universités amé­ri­caines pro­posent d’utiliser des élec­trodes en forme de cage² ; une pre­mière solu­tion de com­mu­ni­ca­tion directe avec l’organoïde en culture.

Le déve­lop­pe­ment de l’ordinateur bio­lo­gique n’est qu’à ses balbutiements.

La ques­tion des élec­trodes est aus­si impor­tante pour le déve­lop­pe­ment du tis­su céré­bral. Sans signaux, les orga­noïdes céré­braux ne se construisent pas en trois dimen­sions et demeurent inopé­rants. Les tis­sus ner­veux doivent tra­vailler pour fonc­tion­ner et les méca­nismes céré­braux requièrent davan­tage qu’un simple signal élec­tro­chi­mique. La mémoire implique une réor­ga­ni­sa­tion des réseaux de neu­rones et l’intervention d’autres cel­lules céré­brales, comme celles qui consti­tuent la micro­glie, le sys­tème immu­ni­taire spé­ci­fique du cer­veau. Pour se déve­lop­per, l’intelligence orga­noïde doit inté­grer tous ces paramètres.

La deuxième rup­ture tech­no­lo­gique qui rend pos­sible l’IO est l’IA. Elle est indis­pen­sable pour explo­rer ce que ces sys­tèmes bio­lo­giques pour­ront faire. Les cultures de tis­sus céré­braux pro­duisent un très grand volume de don­nées, à la fois spa­tia­li­sées et struc­tu­rées dans le temps. Les inter­pré­ter consti­tue un défi que les récents pro­grès de l’algorithmique pour­ront relever. 

La der­nière tech­no­lo­gie sur laquelle repose le déve­lop­pe­ment de l’IO, qui doit encore faire ses preuves, est celle qui per­met­tra aux orga­noïdes céré­braux de chan­ger d’échelle. Actuel­le­ment, les plus grosses cultures de tis­sus céré­braux mesurent quelques mil­li­mètres et contiennent, au maxi­mum, 15 000 neu­rones. Les faire gros­sir implique de les pro­té­ger contre le manque d’oxygène, auquel les neu­rones sont très sen­sibles. Pour cela, il faut réus­sir à les per­fu­ser, à s’assurer que chaque cel­lule est connec­tée à un accès en oxy­gène et en nutri­ments, comme le réseau san­guin l’assure in vivo. La micro­flui­dique semble capable de consti­tuer cette per­fu­sion, mais cette tech­no­lo­gie n’a pas encore été trans­po­sée aux orga­noïdes céré­braux. Ce trans­fert tech­no­lo­gique per­met­tra de pas­ser d’une culture de la taille d’un cer­veau de mouche à une autre com­pa­rable à celui d’une souris.

Ces sys­tèmes vont-ils rem­pla­cer nos ordi­na­teurs ? Pas dans un ave­nir proche. En 2019, une équipe japo­naise a su faire com­mu­ni­quer deux orga­noïdes céré­braux³. Dif­fi­cile de pré­dire la suite, beau­coup d’équipes tra­vaillent sur le sujet, les déve­lop­pe­ments peuvent être inattendus.

On espère néan­moins que les pre­miers sys­tèmes d’IO seront des outils pour la recherche en neu­ros­cience. Les ordi­na­teurs bio­lo­giques pour­raient aider à expli­quer com­ment un cer­veau arrive à trai­ter des infor­ma­tions incom­plètes par exemple.

Ils pour­raient éga­le­ment contri­buer à élu­ci­der les méca­nismes de la démence, du syn­drome d’Asperger ou d’autres condi­tions céré­brales typi­que­ment humaines. Il est actuel­le­ment très dif­fi­cile d’avoir des modèles de labo­ra­toires accep­tables pour ces situa­tions. L’éthique par exemple inter­dit – bien enten­du – d’étudier l’effet d’une molé­cule qui per­turbe la mémoire sur des humains… Les orga­noïdes céré­braux consti­tuent une alter­na­tive pour ces recherches.

L’IO pose aus­si par elle-même des ques­tions éthiques : quels sys­tèmes pour­raient ris­quer de res­sen­tir de la dou­leur ? Quels pro­to­coles per­met­tront d’évaluer l’intelligence d’une culture ? Ces pro­blé­ma­tiques doivent être anti­ci­pées et les spé­cia­listes de l’IO se sont enga­gés à les inté­grer aux déve­lop­pe­ments des aspects tech­niques en signant la conven­tion de Bal­ti­more en 2022⁴. Le déve­lop­pe­ment de l’ordinateur bio­lo­gique n’est qu’à ses balbutiements.

Agnès Vernet