Du mythe au mythe rationnel : 10. Le projet Blue Brain

 

Le projet Blue Brain a été lancé en 2005 dans le cadre d’une collaboration entre l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne et la firme IBM. Dès les débuts, les réserves exprimées, nombreuses, portaient non sur le projet lui-même, mais sur les conclusions que ses promoteurs espéraient en tirer quant à la connaissance du fonctionnement du cerveau biologique en situation. Comment rendre compte du fonctionnement global d’une «machine», tel le cerveau, comprenant 100 milliards de neurones et un nombre infiniment plus grand de synapses et donc de connexions potentielles? Comment le faire en ne tenant pas compte des interactions du cerveau avec le reste du corps, au plan de l’organisme, et avec le reste du monde, au plan de la société ? [1]

En d’autres terme, on serait avec Blue Brain confronté à une approche réductionniste qui, bien qu’utile, ne répondrait pas aux exigences de l’approche holiste qui devrait être conduite en parallèle [2]
Aujourd’hui les promoteurs du projet Blue Brain visent à le prolonger dans un projet étendu à d’autres partenaires, le Human Brain Simulation Project (HBSP) et proposé au financement de la Commission européenne. Voyons d’abord l’état actuel du projet Blue Brain.

Blue Brain

L’initiateur du projet est Henri Markram, fondateur du Brain and Mind Institute à l’Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne. [3] L’institut vise à mieux comprendre les fonctions du cerveau sain ou malade en associant différentes méthodes d’analyse du comportement des neurones, y compris la simulation sur ordinateur. Le HBSP a déposé une demande de financement de 100 millions d’euros sur 10 ans auprès du domaine FET de la commission européenne, Future and Emerging Technologies.

Le projet HBSP est ambitieux. Il vise à la réalisation de nouveaux calculateurs imitant le cerveau, sur le modèle des réseaux de neurones, ou à l’implémentation dans des robots de modules inspirés du cerveau (neurorobotique). [3] Il dispose d’importantes ressources informatiques, notamment le super-ordinateur Blue Gene d’IBM. La version acquise en 2005, Blue Gene/L vient d’être augmentée en Blue Gene/P. Cette machine comporte 16.000 microprocesseurs et développe une puissance de 53.5 teraflops. Elle n’occupe cependant que le 173 rang dans le classement mondial des plus gros calculateurs.

Jusqu’à ce jour, le projet HBSP dans sa version Blue Gene s’est focalisé sur la modélisation informatique d’une mini-colonne de cortex de rat. L’ambition paraît modeste, mais il faut rappeler que le cortex, siège de l’essentiel des fonctions neurologiques élaborées, sensorielles, motrices et cognitives, est constitué, chez l’homme et chez le rat, voisin de l’homme à cet égard, d’un empilement de 6 couches de neurones présentant des caractères différents selon les couches. Ces neurones entretiennent des connexions de type horizontal avec des neurones voisins ou éloignés dans le cerveau. Mais ils s’organisent aussi verticalement en unités fonctionnelles appelées mini-colonnes ou colonnes fonctionnelles. Celles-ci prennent la forme de colonnes verticales traversant les couches horizontales du cortex. Elles regroupent environ 10.000 neurones pour un volume de matière grise total ne dépassant pas 2mm3. Les neurones sont reliés entre eux de façon arborescente par un grand nombre de synapses, quelques milliers par neurone. Ceci dans le faible volume d’une mini-colonne représente un réseau extrêmement dense de liens possibles.

Par ailleurs, les observations portant sur le cerveau entier, ont montré que celui-ci, dès la naissance, à la suite d’une programmation génétique souvent spécifique à l’espèce, s’organise en aires spécialisées, dédiées au départ à telle ou telle fonction, spécialisations susceptibles d’évoluer au cours de la croissance du sujet. Comment cette spécialisation se traduit-elle au niveau très fin des mini-colonnes? Selon les hypothèses des neurologues américains Vernon Mourtcastle, David Hubel et Torsten Wiesel, elle se traduirait par une similarité d’organisation fonctionnelle dans les colonnes traitant de façon identique les données sensorielles et motrices. « Il existerait dans le cerveau de la souris, par exemple, une colonne corticale d’architecture spécifique commandant les fonctions liées aux moustaches ». [5]

D’une façon générale, les colonnes corticales seraient spécialisées dans des fonctions déterminées, par exemple la reconnaissance des formes ou des sons dans les cortex sensoriels. Le cerveau humain disposerait d’1 million de telles colonnes. Associer des colonnes à des fonctions spécifiques représente une avancée dans l’analyse. Elle permet de préciser la localisation de ces fonctions au sein des aires plus vastes identifiées depuis longtemps, aires sensorielles par exemple. Mais l’analyse ne permet pas encore de descendre au niveau du faisceau de neurones ou du neurone isolé, afin d’identifier par exemple le célèbre et mythique « neurone de la grand-mère » censé ne s’activer qu’à la vue de la grand mère.

Les chercheurs de Blue Brain (HBSP) se sont attachés à reproduire sur ordinateur une de ces colonnes, à partir de l’observation du tissu d’un cortex de rat, fragment prélevé dans une aire dont la spécificité fonctionnelle a été plus ou moins définie. Le travail doit alors être conduit, en principe, neurone par neurone. La tâche est considérable puisqu’il existe environ 50 catégories de neurones différents et un nombre infiniment plus grand de connexions synaptiques et de messages échangés. Par ailleurs des éléments non neuronaux interviennent également dans l’activité fonctionnelle. Mais on doit quitter alors la matière grise pour atteindre la matière blanche, avec les cellules de la glie, (astrocytes notamment) dont il faudrait en principe intégrer l’action dans le modèle fonctionnel de la mini-colonne. Nous ne savons si Blue Brain descend jusque là.

Les observations ainsi faites ont donc été reportées sur l’ordinateur. Il ne restait plus qu’à simuler sur celui-ci les neurones, leurs dendrites et leurs synapses (1 milliard de synapses par colonne), ainsi que les échanges en perpétuel remaniement entre ces divers éléments. On conçoit qu’il faille toute la puissance d’un super-ordinateur pour reproduire ne serait-ce qu’une petite partie des échanges réels observés. Le neurobiologiste Idan Segev qui dirige le Centre de calcul neuronal de Jérusalem est associé au projet. [6] Il a développé un ensemble d’algorithmes génétiques permettant d’obtenir rapidement ces équations en tenant compte de la variété des éléments à prendre en compte et d’un minimum de plasticité, celle qui affecte les relations de ces cellules dans le cadre d’un fonctionnement in vivo observé de façon obligatoirement très limitée.

Depuis 2007, les équipes estiment avoir réussi à modéliser une colonne entière de cortex de rat. L’ordinateur fournit à cet égard des représentations en 3 D et fausses couleurs qui donnent une bonne idée de la complexité du tissu neuronal de l’animal. Une grande variété d’images est désormais disponible.

Dans l’immédiat le projet vise à étendre la modélisation à l’ensemble du cerveau d’un rat. Une fois obtenu un cerveau global, il sera relativement aisé d’étudier son fonctionnement à une échelle elle-même globale, en le soumettant à des entrées/sorties analogues à celles que le corps vivant impose au cerveau vivant.
La même méthode sera appliquée à la modélisation d’une mini-colonne du cortex humain, puis, vers 2030, à celle du cerveau entier. On devine que chez l’homme, les observations in vivo ne peuvent être conduites qu’à partir d’échantillons de tissu cérébral obtenus par autopsie post mortem. Mais les techniques des neurosciences observationnelles, de moins en moins invasives, devraient permettre d’obtenir une représentation de plus en plus fiable des structures, non sans doute du cerveau humain profond, mais des couches supérieures. Celles-ci viendraient alors compléter et informer les simulations sur ordinateur.

Le projet Brainscales

Demeure la nécessité de prendre en charge l’adaptativité permanente du tissu cérébral, dénotant sa plasticité. Celle-ci, maximale à la naissance, se maintient dans une certaine mesure tout au long de la vie. Comment en tenir compte ? [7]

C’est ici qu’intervient le chercheur français Yves Fregnac, participant au projet européen Brainscales de l’Unic (Unité de neurosciences intégratives et computationnelles du CNRS) et de l’institut Kirchhoff. Ce projet, déjà financé depuis quelques mois par le FET, vise à construire un modèle computationnel du cerveau. Celui-ci fait appel à l’architecture des réseaux de neurones. Il est donc capable par définition de se construire en tenant compte de l’expérience. Brainscales est associé à Blue Brain de l’EPFL et à un autre projet européen, Brain-i-Nets qui explore les capacités offertes, notamment pour simuler l’apprentissage des aires cérébrales en utiliant de grands ensembles de réseaux neuronaux artificiels. Il existe donc une complémentarité de principe entre les trois approches

Yves Fregnac met cependant l’accent sur les faiblesses intrinsèques du projet Blue Brain. Les résultats obtenus par ce dernier ressembleraient, dit il, à un « erzatz » de cortex, comparable au niveau microsopique à un cortex biologique mais incapable de reproduire une opération cognitive. Ses éléments ne pourraient en effet acquérir, faute d’apprentissage adéquat, la diversité nécessaire à la conduite d’une telle opération. Les facteurs intrinsèques, liés à la morphologie des neurones, et les facteurs extrinsèques résultant de l’adapativité découlant de l’activité synaptique, ne sont pas séparables. C’est pourtant à cette séparation que procède Blue Brain. De plus, une mini-colonne entretient un grand nombre de relations avec les autres parties du cerveau, provenant de liaisons qui ne sont pas observables sans l’étude du comportement dynamique du cerveau à grande échelle. Tout ces facteurs sont déterminants pour l’étude des fonctions cognitives. Or le modèle Blue Brain, construit sur le mode bottom-up, ne pourra pas en tenir compte. Ce n’est pas le cas des deux approches proposées par Brainscales et Brain-i-Nets. D’où l’intérêt de conjuguer l’ensemble, comme il est actuellement proposé à la Commission européenne.

D’autres horizons

Par ailleurs, il faut ici rappeler l’existence de démarches et d’approches qui pour le moment ne semblent pas véritablement prises en compte par les partenaires associés dans le futur consortium HBSP. Contrairement à Blue Brain qui ne simule qu’une toute petite partie du cerveau, elles étudient le fonctionnement et l’anatomie du cerveau global en situation.
Les plus importantes de ces approches concernent l’application de l’imagerie cérébrale fonctionnelle à la compréhension des grandes fonctions cognitives, et notamment l’étude de la façon dont le cerveau se construit et se diversifie par l’apprentissage. [8]

L’intérêt de ces études est qu’elles peuvent approcher progressivement l’ensemble des aires neuronales mobilisables par l’ensemble des fonctions mentales. Elles peuvent à la demande passer du détail du neurone et de la synapse à la globalité du cerveau, du corps et finalement du milieu culturel. Un champ potentiel considérable d’investigations est ainsi ouvert.
D’autres recherches menées principalement aux Etats-Unis, visant à rassembler sur de vastes Atlas du cerveau l’ensemble des observations faites sur des sujets vivants en bonne santé ou atteints de troubles divers du cerveau, de ses composantes et plus généralement du système nerveux. L’intérêt de ces méthodologies observationnelles est de conjuguer les approches de détail et les approches holistes. Elles ne sont pas indemnes d’a priori conceptuels, voire politiques. On ne trouve, en ce domaine comme dans d ‘autres, que ce que l’on cherche – plus exactement, on ne trouve pas ce que l’on ne cherche pas. Néanmoins ces globalisations restent scientifiques car dans la mesure où les résultats en sont largement diffusés, sur le modèle du Human Genome Project, elles restent en permanence susceptibles de suggérer des expériences permettant de tester les hypothèses.

Il s’agit notamment de l’Human Cognome Project, approfondi aujourd’hui par le Human Connectome Project. Au niveau le plus fin, les études du neurone seront bientôt complétées par celle des complexes de protéines assurant la communication synaptiques (Post-synaptic Density ou PSD). [9]

Références
[1] Par Jean-Paul Baquiast, http://blogs.mediapart.fr/blog/jean-paul-baquiast/300111/le-projet-blue-brain-et-le-programme-europeen-human-brain-simula
[2] Le projet Blue Brain http://bluebrain.epfl.ch/
– Le Human Brain Simulation Project http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fet-proactive/docs/ie-sept10-10-markram_en.pdf
[3] Henri Markram http://bluebrain.epfl.ch/page18900.html
– Brain and Mind Institute http://bmi.epfl.ch/
[4] Future and Emerging Technologies http://cordis.europa.eu/fp7/ict/programme/fet_en.html
voir aussi http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fet-proactive/home_en.html
[5] Kandel, Eric, « An introduction to the work of David Hubel and Torsten Wiesel », The Journal of Physiology, 2009, 15, 587, 2733-2741.
[6] Idan Segev : « Modéliser le cerveau », http://www.hervekabla.com/wordpress/idan-segev-universite-de-jerusalem.
[7] Le projet Brainscales http://brainscales.kip.uni-heidelberg.de/
– Le projet Brain-i-Nets http://brain-i-nets.kip.uni-heidelberg.de/
[8] Interview de Stanislas Dehaene http://www.automatesintelligents.com/interviews/2008/dehaene.html
[9] Human Cognome Project http://en.wikipedia.org/wiki/Human_Cognome_Project
– Human Connectome Project http://www.humanconnectomeproject.org/

 

Georges Vignaux

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A propos georgesvignaux

Directeur de recherche honoraire au Centre national de la recherche scientifique, Paris. Docteur d'Etat en linguistique et sciences cognitives (Paris7) Directeur de programmes en langage et cognition et nouvelles technologies de communication Chevalier dans l'Ordre national du Mérite

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