Après l’intelligence artificielle, l’intelligence organoïde

Développer des bio-processeurs à partir de neurones vivants issus de cellules souches humaines: tel est le pari d’une discipline émergente qui pourrait à terme révolutionner l’informatique. FinalSpark, une des trois start-up phares du domaine, est née à V

En 2022, Cortical Labs, une start-up australienne émanant de l’Université de Melbourne, fait la une de l’actualité: elle a réussi à faire apprendre en cinq minutes le jeu vidéo Pong (bouger une raquette pour taper dans une balle) à une couche de neurones d’origine humaine cultivés en laboratoire et connectés à un substrat de micro-électrodes en deux dimensions. Cette expérience amorce les débuts d’une nouvelle discipline, l’intelligence organoïde (IO), formalisée en 2023 par une équipe internationale conduite par des chercheurs de l’Université JohnsHopkins (Etats-Unis). L’IO pourrait révolutionner l’intelligence artificielle (IA), selon l’un de ses principaux promoteurs, le toxicologue Thomas Hartung.

Changement de paradigme

En effet, au coeur des systèmes d’IA actuels se trouvent des réseaux de neurones virtuels bien plus simples que leurs homologues du cerveau humain mais beaucoup plus énergivores. D’autant que l’IA réclame toujours plus de neurones virtuels, donc de puissance de calcul. Ainsi, «le Frontier, l’ordinateur actuel le plus puissant du monde, nécessite 21 mégawatts pour atteindre la vitesse de calcul du cerveau humain (1,194 exaflops, soit 1,1 x 10 opérations par seconde) quand notre organe se limite à 20 watts», observe Thomas Hartung. De plus, les processeurs en silicium sont en passe d’atteindre leurs limites en termes de performance par énergie consommée.

«L’idée serait donc de les remplacer par des processeurs biologiques composés d’organoïdes cérébraux ce qui permettrait de réduire de un million à un milliard de fois la consommation d’énergie des systèmes d’IA actuels», s’enthousiasme Fred Jordan, cofondateur à Vevey de FinalSpark, une des trois start-up actives dans ce domaine émergent, avec Cortical Labs en Australie et Koniku aux Etats-Unis. Mais il s’agit d’un véritable changement de paradigme: passer d’une informatique entièrement numérique fondée sur des puces en silicium à une informatique biologique née de la capacité de reprogrammer en neurones cérébraux des cellules vivantes. «Aujourd’hui, on en est au même stade qu’au début des ordinateurs: on tente de programmer des neurones vivants puis on essaiera de les faire croître et de les «interfacer» avec les systèmes numériques», commente Martin Kutter, le second fondateur de FinalSpark, formé comme Fred Jordan à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne.

Une question de survie

Pour y parvenir, le chemin est encore long. Certes, les briques de base, les organoïdes cérébraux sont produits depuis 2013 dans plusieurs laboratoires: on obtient ces amas de neurones en 3 dimensions (3D) à partir de cellules de peau humaine reprogrammées en cellules souches induites et différenciées ensuite en cellules cérébrales. Encore faut-il contrôler leur développement pour en tirer la même variété que dans le cerveau humain et améliorer leur survie. Aujourd’hui, on parvient à en obtenir différents types, notamment des neurones à glutamate impliqués dans la mémoire et des cellules gliales indispensables au fonctionnement des neurones. «Cependant, on ne sait pas si le mix de ces cellules est optimal pour l’apprentissage, comme il l’est dans le cerveau», reconnaît Fred Jordan.

Pour la myélinisation, qui permet la propagation de l’influx nerveux en isolant les neurones, on parvient à un taux de 40% dans certains organoïdes, proche des 50% du cerveau humain, selon Thomas Hartung. «Nous ignorons le taux de myélinisation de nos organoïdes», tempère Fred Jordan.

La survie pose d’autres problèmes. Les neurosphères, comme celles développées par FinalSpark dans un milieu de culture adéquat, peuvent vivre longtemps tant qu’elles ne sont pas activées. Mais le but est d’arriver à programmer ces réseaux de neurones. Pour cela, on les met en contact avec des matrices 3D de micro-électrodes qui les activent par électrostimulation afin qu’ils apprennent une tâche. Ces matrices peuvent aussi enregistrer l’activité des neurones en réponse à un stimulus chimique. Problème, l’activation stresse les neurosphères. Pour les alimenter régulièrement afin qu’elles ne meurent pas, on fait appel à une autre discipline en plein développement, la microfluidique. «Un réseau de micro-pompes réglées très finement nous a permis d’augmenter à plus de trois mois la durée de vie de nos organoïdes», se félicite Fred Jordan.

Changer d’échelle

Reste que cela ne suffit toujours pas: les organoïdes cérébraux actuels sont trop petits pour apprendre des tâches complexes. Ils mesurent 0,5 millimètre de diamètre et ne contiennent que quelques dizaines de milliers de neurones, quand le cerveau humain en compte 86 milliards. L’objectif est donc de changer d’échelle. «On essaie de les faire grandir pour qu’ils atteignent plusieurs centimètres. Mais à partir de 1 millimètre, les neurones centraux se nécrosent», indique Martin Kutter. Des travaux de recherche sont en cours pour résoudre ce problème en tentant de vasculariser les neurosphères à l’instar du cerveau humain qui est largement irrigué par des vaisseaux sanguins.

En parallèle à ces problèmes essentiels d’alimentation, de croissance et de survie s’ouvre un vaste champ à la frontière de l’informatique et des neurosciences: apprendre à programmer ces organoïdes pour qu’ils accomplissent des tâches en consommant beaucoup moins d’énergie qu’un ordinateur classique. C’est la mission que s’est donnée FinalSpark. Pour accélérer le processus, la start-up a décidé de mettre gratuitement à disposition de toute équipe universitaire intéressée sa plateforme composée de 16 à 48 neurosphères actives 24h/24. «Cela suscite beaucoup d’intérêt et nous devons désormais gérer l’afflux des demandes», commente Fred Jordan.

L’idée est notamment de tenter de reproduire in vitro des aspects essentiels de l’apprentissage et de la mémoire humaine. Cela nécessite l’utilisation de l’IA et le développement d’interfaces et d’algorithmes nouveaux pour communiquer avec les organoïdes cérébraux, comprendre comment ils apprennent et calculent, puis traiter et stocker les quantités massives de données qu’ils vont générer. Mais aussi de prendre en compte dès aujourd’hui les questions éthiques que pourrait soulever l’usage de ces futurs processeurs vivants…

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Au coeur des systèmes d’IA actuels se trouvent des réseaux de neurones virtuels bien plus simples que leurs homologues du cerveau humain, mais beaucoup plus énergivores