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Un gigantesque projet : le cerveau virtuel

18 mars 2013

cerveau-virtuel Le 28 janvier 2013, la Communauté européenne a décidé : les deux programmes phares de recherche, ou flagships (« vaisseaux amiraux »), qu’elle financera dans le domaine des « technologies futures émergentes », porteront sur le graphène et la modélisation du cerveau. C’est un pari à un milliard d’euros, sur dix ans, pour chacun des deux élus. [1]

Six candidats restaient  en lice. Robocom pour développer des compagnons robots dotés d’éléments de conscience pour accompagner les personnes âgées. ITFoM pour construire un modèle de patient virtuel, Guardian Angels qui visait à intègrer des capteurs intelligents dans les vêtements et FuturICT qui ambitionnait d’anticiper les évolutions sociales. C’est finalement le projet Graphène qui va explorer les applications d’un nouveau matériau à base de carbone, qui l’a emporté, avec le Human Brain Project, (HBP), qui, lui, a pour ambition de créer de nouveaux outils pour simuler le cerveau humain.

HBP est un audacieux projet de cerveau virtuel, fédérant 256 laboratoires de 24 pays. « Comprendre notre cerveau, c’est le dernier grand rêve de l’humanité. On parle de nous-mêmes ! « , observe Alexandre Pouget, professeur de neurosciences à l’université de Genève.

Avec ses 85 milliards de cellules nerveuses, ou neurones, établissant chacun 1 000 à 10 000 contacts, ou synapses, avec ses voisins, le cerveau humain est un des objets les plus complexes connus dans l’Univers. Ses performances défient notre intelligence. D’où ces questions : sa modélisation est-elle réalisable ? A-t-elle un sens ? Tâche titanesque, en effet, que de déchiffrer les liens entre un raisonnement, un comportement ou une émotion et les quelque 100 000 milliards de signaux synaptiques générés chaque seconde par notre matière grise…

Human Brain fait le pari de s’attaquer à cette complexité. Projet futuriste et fédérateur, pour les uns ; utopique et réductionniste, selon les autres. Le débat n’est pas neuf. De longue date il oppose les dualistes, qui postulent l’existence de la matière et de l’esprit, aux matérialistes, pour qui l’esprit n’est que le produit des interactions neuronales. C’est surtout l’approche « réductionniste » qui fait débat : peut-on réduire la complexité du cerveau à un emboîtement de principes moléculaires, physiologiques ou mathématiques ?

L’homme-machine
Nombre de philosophes, tel Patrick Juignet, psychiatre et psychanalyste, dénoncent cette approche qui « s’inscrit dans un vaste courant idéologique matérialiste réductionniste cherchant à mécaniser l’homme. […] L’homme-machine est un homme chosifié, privé de sa spécificité humaine ». Le décryptage du cerveau humain est aussi source de controverses en raison des incertitudes sur le fonctionnement de cet organe et sur les stratégies de recherche à adopter.

Le premier à tenter l’aventure du cerveau virtuel fut le mathématicien anglais Alan Turing, qui imagina en 1936 une machine traitant des séquences de symboles qui reproduisent la manière humaine de calculer, le Human Computer. Cette « machine de Turing » est considérée comme l’ancêtre de nos ordinateurs. C’est un précurseur des « réseaux de neurones formels », ou « ensembles d’unités binaires mimant l’organisation de réseaux de neurones biologiques », en informatique. Dans les années 1950, les biologistes Alan Hodgkin et Andrew Huxley découvrent le mécanisme des potentiels d’action dans les neurones, qui conduit aux équations d’Hodgkin-Huxley, toujours utilisées pour simuler les neurones. Une décennie plus tard, l’Américain Wilfrid Rall met en équations la propagation des impulsions électriques dans les neurones : ce sont les « équations de câble », encore utilisées.

Le projet Human Brain s’inspire de trois programmes fondateurs : le projet Blue Brain, lancé en 2005 par Henry Markram, de l’Ecole fédérale polytechnique de Lausanne (EPFL), avec l’appui d’IBM, et Facets et BrainScales, développés ces dix dernières années par un consortium européen.
Henry Markram est le porte-drapeau du projet Human Brain. Ce brillant neurobiologiste a le don de séduire…

L’essentiel de la controverse est ailleurs : « Le monde des neurosciences n’est pas forcément d’accord avec la stratégie du projet Blue Brain, ni avec le credo d’Henry Markram en une industrialisation des neurosciences », dit un expert.

Dans sa version pilote, le Blue Brain se proposait de simuler une colonne de cortex de rat par une approche typiquement bottom-up (du bas vers le haut) : la simulation repose sur un gigantesque corpus de données microscopiques – génomiques et moléculaires, anatomiques et biophysiques, physiologiques et fonctionnelles – issues d’expériences sur des tranches de cerveau. Selon Yves Frégnac, directeur de l’Unité de neurosciences, information et complexité (UNIC) du CNRS, « un problème non traité par la plupart des projets de simulation du cerveau reste cependant la nature de l’activité spontanée du cerveau entier. Irrégulier et persévérant, ce « chant cortical » pourrait propager la rémanence ou le rappel de fragments de mémoire ».

Moins connus du public mais tout aussi innovants, Facets et BrainScales ont misé sur l’interdisciplinarité, associant des neuroscientifiques, des modélisateurs, des microélectroniciens et des physiciens de 15 à 20 pays. Leur objectif : « Simuler « en dur » le fonctionnement du cerveau, construire de véritables circuits électroniques qui miment les règles de fonctionnement et d’adaptation du vivant », explique Yves Frégnac, qui a participé au montage des deux projets avec Karlheinz Meier, de l’université d’Heidelberg.

Pari d’ingénierie
Ce pari d’ingénierie à grande échelle est aujourd’hui présent dans le projet Human Brain. Le nombre de paramètres multi-échelles à explorer dans les simulations du cerveau impose, en effet, une parallélisation massive des calculs et des processeurs ultraperformants.

Une interrogation concerne la place de la communication entre chercheurs et décideurs. « Il y a eu autour de ce projet quelques « erreurs de marketing » initiales. Trop de choses ont été promises », regrette Gilles Laurent, du Max Planck Institute for Brain Research, à Francfort. Parmi ces promesses excessives, l’idée que le projet Human Brain pourrait permettre de guérir les maladies neurodégénératives.

Développer des applications sociétales et de santé paraît toutefois au coeur de ce que l’Europe attend des flagships. « Les maladies du système nerveux coûtent 800 milliards d’euros chaque année à l’Europe, relève Richard Frackowiak, neurologue, codirecteur exécutif du projet Human Brain. Le coût du HBP est estimé à 100 millions d’euros par an sur dix ans. Si l’on parvenait à diminuer de 1 % le coût des maladies du cerveau en Europe, cela permettrait de financer 1 000 projets HBP ! »

Puces analogiques
L’ambition et le périmètre actuels du projet Human Brain sont donc bien plus larges que ceux du Blue Brain. « Le Human Brain est le seul projet flagship à avoir une vocation intellectuelle forte, le seul à poser de vraies questions scientifiques et philosophiques, déclare Stanislas Dehaene, professeur au Collège de France et spécialiste de neurosciences cognitives, associé au HBP. Nous allons notamment étudier la question de l’unicité de l’homme : qu’est-ce qui fait que le cerveau humain possède des compétences uniques dans le monde animal, comme le langage et la capacité de déduire les pensées d’autrui ? Le groupe de Karlheinz Meier a déjà mis au point des puces analogiques qui simulent plusieurs centaines de milliers de neurones, 10 000 fois plus vite que le cerveau humain. Un an d’apprentissage peut ainsi être simulé en moins d’une heure ! »

Le pari du HBP est audacieux, mais « la situation des laboratoires en neurosciences européens est souvent exsangue », souligne Yehezkel Ben-Ari, de l’Institut de neurobiologie de la Méditerranée, à Marseille. Tel n’est pas le cas en Suisse, où l’on prévoit l’édification d’un vaste complexe, Neuropolis, à cheval sur l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne et les universités de Lausanne et de Genève.

Au coeur des interrogations sur le cerveau virtuel, le doute et le pari sont aussi au centre d’une théorie moderne sur le fonctionnement de notre cortex. Selon Alexandre Pouget, « parce que nos sens nous trompent, notre cerveau représenterait la connaissance sous forme de probabilités, qu’il manipulerait ensuite pour acquérir de nouvelles connaissances ».

Probabiliste ou non, notre pensée nous restera sans doute longtemps obscure, étrange, inaccessible. « L’Univers n’était pas gros de la vie, ni la biosphère de l’homme, écrivait Jacques Monod dans Le Hasard et la Nécessité (Le Seuil, 1970). Notre numéro est sorti au jeu de Monte-Carlo. Quoi d’étonnant à ce que, tel celui-ci qui vient d’y gagner un milliard, nous éprouvions l’étrangeté de notre condition ? »

[1] Cf Florence Rosier, Le Monde, 30.01.2013.

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