Une équipe d’ingénieurs de l’Université Northwestern a récemment réalisé une avancée majeure en développant des neurones artificiels imprimés capables d’interagir directement avec de vraies cellules cérébrales. Ces dispositifs sont non seulement souples, flexibles et peu coûteux à fabriquer, mais peuvent également produire des signaux électriques très similaires à ceux des neurones vivants. Lors de tests en laboratoire utilisant des tranches de tissu cérébral de souris, les neurones artificiels ont réussi à stimuler de vrais neurones et à provoquer des réponses mesurables. Cette réalisation démontre un niveau sans précédent de compatibilité entre les systèmes électroniques et les réseaux de neurones biologiques.

Ces recherches ouvrent des perspectives importantes pour les appareils électroniques capables de communiquer avec le système nerveux. Cette technologie devrait soutenir le développement d’interfaces cerveau-ordinateur et de dispositifs neuroprothétiques, notamment des implants conçus pour restaurer l’audition, la vision ou le mouvement. Dans le même temps, les résultats laissent entrevoir un avenir où l’informatique sera plus efficace. En reproduisant la façon dont les neurones envoient des signaux – une caractéristique essentielle du cerveau en tant que système informatique le plus économe en énergie connu – le matériel de nouvelle génération sera capable de gérer des tâches complexes en utilisant beaucoup moins d'énergie que les systèmes actuels.

La recherche a été publiée dans la revue Nature Nanotechnology le 15 avril. « Le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui est dominé par l'intelligence artificielle. Pour rendre l'intelligence artificielle plus intelligente, vous devez l'entraîner avec de plus en plus de données.

À mesure que les besoins informatiques augmentent, les systèmes traditionnels répondent à ces défis en ajoutant davantage de composants identiques. Les puces modernes contiennent des milliards de transistors disposés sur un morceau de silicium rigide et plat, chaque élément remplissant la même fonction. Une fois fabriqués, ces systèmes ne peuvent plus être modifiés. Le cerveau fonctionne complètement différemment. Il est composé de plusieurs types de neurones, chacun ayant des rôles spécialisés, organisés en un réseau tridimensionnel souple. Ces réseaux s'adaptent continuellement, formant de nouvelles connexions et remodelant les connexions existantes au fur et à mesure de l'apprentissage. "Le silicium atteint la complexité en ayant des milliards de dispositifs identiques. Tout est identique, rigide et fixe une fois fabriqué. Le cerveau est à l'opposé. Il est hétérogène, dynamique et tridimensionnel. Pour avancer dans cette direction, nous avons besoin de nouveaux matériaux et de nouvelles façons de construire l'électronique", a expliqué Hessam.

Bien que des neurones artificiels aient déjà été créés, la plupart produisaient des signaux trop simples. Pour générer des comportements plus complexes, les ingénieurs s’appuient souvent sur de grands réseaux, ce qui augmente la consommation d’énergie. Pour mieux correspondre au comportement des vrais neurones, les chercheurs ont conçu leur appareil à l’aide de matériaux souples et imprimables. Ils ont créé des encres électroniques spécialisées à partir de feuilles de bisulfure de molybdène, un matériau qui fonctionne comme un semi-conducteur tandis que le graphène agit comme un conducteur. Ces encres sont déposées sur des surfaces polymères flexibles à l'aide d'une méthode appelée impression par jet d'aérosol.

Auparavant, le composant polymère de ces encres était considéré comme un inconvénient car il interférait avec le flux électrique, c'est pourquoi il était généralement retiré après l'impression. Dans ce cas, l’équipe de recherche en a plutôt profité. "Au lieu d'éliminer complètement le polymère, nous le décomposons partiellement", ont expliqué les chercheurs. "Ensuite, lorsque nous faisons passer un courant électrique à travers l'appareil, nous provoquons davantage la dégradation du polymère. Cette dégradation se produit de manière spatialement non uniforme, conduisant à la formation de filaments conducteurs de sorte que tout le flux de courant est confiné à une zone étroite de l'espace." Ce chemin conducteur étroit crée une réponse électrique soudaine semblable à l’activation d’un neurone. En conséquence, les neurones artificiels peuvent générer une grande variété de signaux, notamment des pointes uniques, des déclenchements constants et des modèles de rafales, imitant fidèlement l'activité neuronale réelle. Étant donné que chaque appareil peut gérer une signalisation plus complexe, moins de composants sont globalement nécessaires, ce qui pourrait améliorer considérablement l’efficacité des futurs systèmes informatiques.

Pour déterminer si ces neurones artificiels pourraient interagir avec de véritables systèmes biologiques, l’équipe de recherche a collaboré avec Indira Raman, professeur de neurobiologie à l’école Weinberg. Son équipe a appliqué des signaux artificiels à des tranches de cervelet de souris. Les résultats ont montré que ces pointes électriques correspondaient à des caractéristiques clés de l’activité neuronale naturelle, notamment le timing et la durée. Ces signaux activent de manière fiable de vrais neurones et déclenchent des circuits neuronaux d'une manière similaire aux signaux cérébraux naturels. "D'autres laboratoires ont essayé de fabriquer des neurones artificiels à partir de matériaux organiques, mais ils fonctionnent trop lentement", a déclaré Hessam. "Ou ils utilisent des oxydes métalliques, qui sont trop rapides. Nous sommes sur une échelle de temps qui n'a jamais été démontrée dans les neurones artificiels auparavant. Vous pouvez voir des neurones vivants répondre à nos neurones artificiels. Nous avons donc montré des signaux qui ont non seulement la bonne échelle de temps, mais aussi la bonne forme de pointe, peuvent interagir directement avec les neurones vivants."

Cette nouvelle approche offre également des avantages environnementaux et pratiques. Le processus de fabrication est simple et rentable, et la méthode d’impression additive utilise efficacement les matériaux et réduit les déchets en les plaçant uniquement là où ils sont nécessaires. À mesure que les systèmes d’intelligence artificielle continuent de se développer, l’amélioration de l’efficacité énergétique est particulièrement importante. Les grands centres de données consomment déjà de grandes quantités d’électricité et nécessitent de grandes quantités d’eau pour leur refroidissement. "Pour répondre aux besoins énergétiques de l'IA, les entreprises technologiques construisent des centres de données à l'échelle du gigawatt, alimentés par des centrales nucléaires dédiées", a noté Hessam. « Il est clair que cette énorme consommation d'énergie limitera l'expansion future de l'informatique, car il est difficile d'imaginer que la prochaine génération de centres de données nécessitera 100 centrales nucléaires.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation.