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.

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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