En 2023, une nouvelle aube s’éclaire à l’horizon de la science. Des électrodes dans les corps vivants au « chant » des ondes gravitationnelles ; de l'exploration au niveau d'un seul atome aux propres laboratoires chinois dans le vaste espace ; de la compréhension par l'être humain de son propre niveau cellulaire à l'intelligence artificielle qui entre véritablement dans nos vies... 2024 est sur le point de commencer, et les scientifiques qui avancent constamment se rapprochent pas à pas de la porte d'une nouvelle ère scientifique et technologique.
1. Les électrodes « poussent » à partir de tissus vivants
Gel injectable testé sur circuits microfabriqués. Source de l'image : Thor Bakshid/Science.com
Les frontières physiques entre les organismes et la technologie s’estompent.
Des chercheurs suédois ont réussi pour la première fois à faire croître des électrodes dans des tissus vivants en injectant un gel contenant des enzymes comme "molécules d'assemblage" et en utilisant des molécules humaines comme déclencheurs. Les résultats, publiés dans la revue Science en février, ouvrent la voie à des circuits électroniques entièrement intégrés dans les organismes vivants.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Linköping, de l'Université de Lund et de l'Université de Göteborg en Suède a connecté le tissu neuronal à des appareils électroniques. Souvent, une inadéquation entre l’électronique rigide et les tissus mous peut endommager les systèmes vivants fragiles. Mais l’équipe a utilisé un gel injectable pour créer des électrodes souples directement à l’intérieur du corps. Après injection dans les tissus vivants, les enzymes du gel décomposent les métabolites endogènes du corps, déclenchant la polymérisation enzymatique des monomères organiques du gel, les convertissant en électrodes conductrices stables, souples. Les chercheurs ont démontré ce processus en injectant le gel dans des poissons zèbres et des sangsues médicinales. Le gel s'est polymérisé dans les deux organismes et a « fait croître » les électrodes dans les tissus.
Cette méthode de création de circuits électroniques directement dans les tissus vivants permet de traiter des maladies grâce à des signaux électriques dans le système nerveux ou en modulant des circuits neuronaux.
2. Les souris mâles produisent des œufs fonctionnels
Les souris mâles produisent des ovules fonctionnels. Source de l'image : site "Nature"
Il s’agit de recherches qui pourraient inspirer ou faire progresser la fertilité future.
Un article publié dans la revue Nature en mars a fait état d'un résultat à succès dans la recherche sur les cellules souches : la conversion de cellules souches mâles de souris en cellules femelles et la production d'ovules fonctionnels. Environ 1 % des embryons obtenus après fécondation de ces ovules peuvent produire une progéniture saine.
Les gamètes mâles et femelles – respectivement spermatozoïdes et ovocytes (œufs) – sont produits à partir d’un type de cellules souches appelées cellules germinales primordiales. Ces cellules souches se différencient en gamètes, qui nécessitent des chromosomes sexuels pour fonctionner correctement.
Des études antérieures ont exploré la possibilité de changer le sexe des cellules germinales primordiales et ont découvert que la production de gamètes pouvait être réduite et que seules des cellules à faible fertilité pouvaient être produites. Mais cette fois, l'équipe de Lin Katsuhiko, de l'université japonaise de Kyushu, a rapporté qu'il était possible d'utiliser des cellules souches pluripotentes pour produire des ovules plus sains. L’équipe a utilisé des cellules cutanées provenant des queues de souris mâles matures (qui portent des chromosomes XY) et a transformé ces cellules en cellules souches pluripotentes induites. Ils ont cultivé ces cellules souches in vitro, et ce processus a produit un sous-ensemble rare de cellules (représentant environ 6 % des cellules cultivées) dépourvues du chromosome Y, appelées cellules XO.
Le développement continu de ces cellules XO dans les milieux de culture induit la réplication du chromosome X. Traiter les cellules avec des médicaments réversiques qui interfèrent avec la division cellulaire peut améliorer l’efficacité de la réplication du chromosome X. Le double qui en résulte
Bien que l’impact de la transformation de cellules mâles en cellules femelles sur la stabilité du génome doive encore être évalué de manière plus rigoureuse, cette découverte majeure est importante pour les recherches et applications futures.
3. Reconstruction de l'expérience double fente dans la dimension temporelle
Dessin d’art expérimental original à double fente. Source de l'image : site "Nature"
L'observation de l'interférence des ondes lumineuses par le scientifique britannique Thomas Young au XIXe siècle est l'une des expériences les plus emblématiques de l'histoire de la physique et a eu un impact profond sur la physique quantique. Aujourd’hui, il connaît un nouveau développement.
En avril de cette année, des scientifiques britanniques ont utilisé un « métamatériau » capable de modifier ses propriétés en une femtoseconde (un quadrillionième de seconde) pour recréer la célèbre expérience à double fente dans la dimension du temps plutôt que de l'espace. Les dernières expériences en révèlent davantage sur les propriétés fondamentales de la lumière et jettent les bases de la création du matériau ultime capable de contrôler finement la lumière à des échelles spatiales et temporelles.
Cette expérience impliquait à l'origine la diffraction de la lumière à travers une paire de « fentes » dans l'espace, mais la nouvelle étude montre qu'il est possible d'obtenir un effet équivalent dans le temps en utilisant des fentes doubles. L’équipe de recherche de l’Imperial College de Londres a utilisé un mince film d’oxyde d’indium et d’étain dans l’expérience. Sur une échelle de temps ultra-rapide telle que la femtoseconde, la réflectivité de ce matériau sera modifiée par laser, créant ainsi des « fentes » pour la lumière. Les chercheurs y sont parvenus en activant et désactivant la réflectivité d'un miroir semi-conducteur deux fois de suite et en enregistrant des franges d'interférence le long du spectre de la lumière réfléchie par le miroir. Leurs expériences ont révélé que des interférences se produisent entre des ondes de fréquences différentes, plutôt qu’entre différents emplacements dans l’espace.
Ce résultat pourrait avoir diverses applications futures, telles que les commutateurs optiques pour le traitement du signal et les communications ou l'informatique optique.
4. Une équipe internationale annonce une découverte historique du rayonnement de fond des ondes gravitationnelles
Une paire de trous noirs supermassifs (en haut à gauche) émettent des ondes gravitationnelles qui se propagent à travers le tissu de l’espace-temps (impression d’artiste). Source de l'image : Observatoire nord-américain des ondes gravitationnelles nanohertz
Si l’on compare le fond des ondes gravitationnelles à une chanson ancienne et mystérieuse, alors le « chœur » se produit à des fréquences différentes chaque jour. Aujourd’hui, grâce à la surveillance des pulsars, les scientifiques ont enfin entendu le chant. En d’autres termes, ils ont obtenu la première preuve du fond d’ondes gravitationnelles.
Après 15 ans de collecte de données, en juin de cette année, les scientifiques ont pour la première fois « entendu » le chœur éternel des ondes gravitationnelles ondulant dans l'univers, et le son était beaucoup plus fort que prévu. Il s’agit d’une découverte historique du fond des ondes gravitationnelles.
Le rayonnement de fond des ondes gravitationnelles est la superposition de nombreuses sources d’ondes gravitationnelles différentes. Leurs fréquences et intensités sont différentes, mais elles sont toutes très faibles. Ils devraient exister autour de nous et peuvent nous communiquer les informations importantes qu’ils ont cachées à jamais. Mais malheureusement, son existence et sa composition ont toujours été le produit de théories.
Les scientifiques rapportent leurs résultats dans une série de nouveaux articles publiés en juin dans The Astrophysical Journal Letters. La source la plus probable du fond d’ondes gravitationnelles détecté cette fois est une paire de trous noirs supermassifs piégés dans une « spirale de la mort ». Ces trous noirs sont si massifs qu’ils peuvent atteindre des milliards de masses solaires. Parce que presque toutes les galaxies, y compris le centre de la Voie lactée, possèdent un tel monstre de trou noir. Ainsi, lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs se rencontrent et commencent à tourner autour l’un de l’autre. Une fois que deux trous noirs sont suffisamment proches, ils peuvent être observés par un réseau de synchronisation de pulsars.
L'équipe nord-américaine de l'Observatoire des ondes gravitationnelles nanohertz a déclaré qu'actuellement, elle ne peut mesurer que le fond global des ondes gravitationnelles, mais ne peut pas mesurer le rayonnement d'un seul « chanteur » ou « instrument ». Cela a néanmoins suffi à surprendre toute la communauté astrophysique, car « le bruit de fond des ondes gravitationnelles est environ deux fois plus fort que prévu ». Mingarelli, professeur adjoint à l'Université de Yale aux États-Unis, a déclaré qu'il s'agissait de la limite supérieure des modèles que l'on peut créer à partir de trous noirs supermassifs.
Les scientifiques sont également enthousiasmés car ces recherches ouvrent des territoires inexplorés. En raison des limites expérimentales actuelles, ils ne peuvent pas estimer si quelque chose d’autre produit également de puissantes ondes gravitationnelles. Si tel est le cas, il pourrait y avoir d’autres explications aux mécanismes prédits par la théorie des cordes et même à la naissance de l’univers.
5. Signal de rayons X à un seul atome détecté pour la première fois
Diagramme schématique de l'expérience qui a détecté pour la première fois des rayons X à un seul atome. Source de l'image : Réseau d'organisations de physiciens
Pour réaliser une percée historique dans les méthodes de détection des matériaux, il ne suffit pas de s’appuyer uniquement sur la mise à niveau des équipements. Les scientifiques doivent innover au niveau atomique.
En juin, des scientifiques de l’Université de l’Ohio, du Laboratoire national d’Argonne, de l’Université de l’Illinois à Chicago et d’autres ont capturé pour la première fois des signaux de rayons X d’un seul atome. Cette avancée révolutionnaire devrait complètement changer la façon dont les gens détectent les matériaux.
L’équipe de recherche a utilisé les rayons X synchrotron pour imager des atomes individuels. La taille minimale d’échantillon pouvant être analysée à l’aide de la microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron est l’attogramme, soit environ 10 000 atomes. En effet, le signal de rayons X produit par un seul atome est si faible que les détecteurs conventionnels ne sont pas suffisamment sensibles pour le détecter. Pour résoudre ce problème, l’équipe a ajouté une pointe métallique pointue à un détecteur de rayons X traditionnel, placée à seulement 1 nanomètre au-dessus de l’échantillon à étudier. Lorsque la pointe pointue se déplace sur la surface de l’échantillon, les électrons traversent l’espace entre la pointe et l’échantillon, créant ainsi un courant électrique. Cela détecte essentiellement « l'empreinte digitale » unique de chaque élément, permettant aux chercheurs de combiner la résolution spatiale ultra-élevée de la microscopie à effet tunnel avec la sensibilité chimique fournie par un éclairage intense aux rayons X.
La technologie peut suivre les matières toxiques jusqu’à des niveaux extrêmement faibles, permettant ainsi des applications dans la conception de matériaux et les sciences de l’environnement.
6. Assemblage et analyse du chromosome Y humain terminés
Le chromosome Y est le dernier des 24 chromosomes humains à être séquencé. Source de l'image : Institut national de recherche sur le génome humain
Il s’agit de la première séquence véritablement complète du chromosome Y humain et du dernier chromosome humain à être complètement séquencé.
Deux articles publiés dans Nature en août annonçaient l'assemblage et l'analyse du chromosome Y humain. Cette étude, impliquant plus de 100 scientifiques du monde entier, comble de nombreuses lacunes dans la référence actuelle sur le chromosome Y et apporte des informations sur l'évolution et la variation de différentes populations.
Le chromosome Y humain a été difficile à séquencer et à assembler en raison de sa structure complexe. Plus de la moitié du chromosome Y est absent de l’assemblage actuel du génome humain de référence, ce qui entraîne une compréhension incomplète du chromosome Y et limite la compréhension de sa composition, de sa complexité et de ses différences entre les différentes populations. Dans le cadre du consortium « Telomere to Telomere », dirigé par l'Institut national de recherche sur le génome humain et comprenant des scientifiques de l'Université Johns Hopkins, de l'Université de Californie à Santa Cruz et d'autres institutions, a cette fois rapporté la séquence complète de 62 460 029 paires de bases du chromosome Y humain. Cet assemblage a corrigé plusieurs erreurs concernant le chromosome Y dans l’assemblage actuel du génome humain de référence. Il a également ajouté plus de 30 millions de paires de bases au génome de référence, révélé la structure complète de plusieurs familles de gènes et confirmé 41 nouveaux gènes codant pour des protéines.
Dans un autre article, l’équipe commune a rassemblé les chromosomes Y humains de 43 hommes représentant 21 populations différentes à travers le monde. Ces résultats d'assemblage expliquent plus en détail les différences génétiques du chromosome Y au cours des 183 000 ans d'histoire de l'évolution humaine. Les chercheurs intégreront ces nouvelles connaissances dans les études sur les primates pour approfondir l’évolution du chromosome Y et analyser les gènes cliniquement pertinents susceptibles d’influencer le cancer et diverses autres maladies, contribuant ainsi à la médecine personnalisée.
7. Les réseaux de neurones conçoivent de nouvelles protéines
Exemple visuel de conception de biomatériaux protéiques. Crédit image : Marcus Buehler/Journal of Applied Physics
Les protéines ont toujours été difficiles à modéliser, en particulier lorsque les gens souhaitent « opérer à rebours », c'est-à-dire convertir la fonction souhaitée en une structure protéique, ce qui constitue un défi difficile à relever.
Une équipe du Massachusetts Institute of Technology a annoncé en août qu’elle combinerait les réseaux de neurones de l’attention avec les réseaux de neurones graphiques pour mieux comprendre et concevoir les protéines. La méthode combine le meilleur des deux mondes, l’apprentissage profond géométrique et les modèles de langage, non seulement pour prédire les propriétés des protéines existantes, mais également pour imaginer de nouvelles protéines que la nature n’a pas encore conçues. Ce nouveau modèle réassemble ces éléments de base naturels en modélisant les principes fondamentaux qui servent de fondement à tout ce que la nature a inventé. Lorsque l’équipe a entraîné le modèle, elle a prédit la séquence, la solubilité et la composition en acides aminés de différentes protéines en fonction de leurs fonctions. Ensuite, après avoir reçu les paramètres initiaux pour la fonction de la nouvelle protéine, le modèle a fait preuve de créativité et a généré une structure entièrement nouvelle.
Par coïncidence, la société « Deep Thinking » a également annoncé cette année une nouvelle génération de « Alpha Folding », qui a non seulement amélioré considérablement sa précision, mais a également élargi sa portée de prédiction des protéines à d'autres molécules biologiques, y compris les ligands. Le modèle peut prédire presque toutes les molécules de la banque de données sur les protéines (PDB) avec une précision au niveau atomique.
8. Le Laboratoire spatial national chinois est officiellement opérationnel
Le module expérimental Wentian du module d'affichage de l'assemblage de la station spatiale chinoise pris lors du 14e Salon aéronautique de Chine. Photo prise par Liu Dawei, journaliste de l'agence de presse Xinhua
Cette année marque le 20e anniversaire du succès de la première mission habitée chinoise. Le 18 août, de bonnes nouvelles sont arrivées du Bureau chinois d’ingénierie spatiale habitée : le Laboratoire spatial national chinois était officiellement opérationnel et les applications spatiales étaient réalisées de manière ordonnée avec des résultats fréquents.
Lin Xiqiang, porte-parole de China Manned Space Engineering et directeur adjoint du China Manned Space Engineering Office, a déclaré que les installations expérimentales scientifiques actuelles de la station spatiale ont pratiquement terminé les tests en orbite, que les opérations en orbite sont stables et fiables et qu'elles ont la capacité de mener des recherches scientifiques spatiales à grande échelle. Jusqu'à présent, la station spatiale a réalisé plus de 60 projets expérimentaux, des dizaines de milliers d'expériences en orbite, obtenu près de 60 To de données expérimentales originales et téléchargé plus de 300 échantillons d'expériences scientifiques.
En tant que plate-forme d'expérimentation spatiale habitée la plus grande et à long terme de l'histoire aérospatiale de la Chine, le Laboratoire spatial national tirera parti de l'environnement spatial pour mener des recherches scientifiques, dont la plupart ne peuvent pas être simulées sur Terre. Les multiples armoires expérimentales déployées dans le module expérimental Wentian, le module expérimental Mengtian et le module central Tianhe réaliseront des milliers d'expériences scientifiques, exploreront les mystères de l'univers et transformeront les réalisations scientifiques et technologiques incubées en applications réelles au profit de la vie des gens ordinaires sur terre.
9. L'atlas des cellules cérébrales humaines le plus complet publié à ce jour
Article de couverture du magazine "Science". Source de l'image : site Web "Science"
Avec le développement actuel de la biomédecine, sur quoi pouvons-nous nous appuyer pour acquérir une nouvelle compréhension de l’identité de l’espèce humaine ? Une réponse est la science du cerveau.
En octobre, 21 articles ont été publiés simultanément dans les magazines américains "Science", "Science Advances" et "Science Translational Medicine", annonçant et expliquant la carte des cellules cérébrales humaines la plus complète à ce jour. Cette série d'études impliquant des scientifiques de nombreux pays a révélé les caractéristiques de plus de 3 000 types de cellules cérébrales, ce qui aidera à comprendre en profondeur le caractère unique du cerveau humain et à faire progresser la recherche sur les maladies cérébrales et les capacités cognitives. Le site Web "Nature" a cité Anthony Hannan, un expert de l'Institut australien Florey des neurosciences et de la santé mentale, disant que cette série d'études a cartographié le cerveau humain au niveau unicellulaire pour la première fois, montrant ses interactions moléculaires complexes et jetant les bases d'une meilleure compréhension du cerveau humain.
Parmi eux, l’équipe de la neuroscientifique Kimberly Siletti du centre médical universitaire d’Utrecht aux Pays-Bas a effectué le séquençage de l’ARN (acide ribonucléique) sur plus de 3 millions de cellules couvrant 106 emplacements du cerveau humain. L'analyse a enregistré 461 grandes catégories de cellules cérébrales, dont plus de 3 000 sous-types. La recherche a montré que les neurones, les cellules qui envoient et reçoivent des signaux dans le cerveau et le système nerveux, varient considérablement selon les différentes parties du cerveau. En particulier, la région du tronc cérébral qui relie le cerveau à la moelle épinière contient un nombre particulièrement important de types de neurones. Cette différence révèle des fonctions et des histoires de développement différentes. Il s’agit d’une analyse granulaire sans précédent de la structure organisationnelle du cerveau humain au niveau d’une seule cellule, y compris le cerveau adulte et le cerveau humain en développement au stade embryonnaire. Il identifie et décrit l’étonnante diversité des types de cellules cérébrales humaines et fournit des indices pour comprendre les mécanismes des maladies mentales et neurologiques humaines.
10. Les modèles linguistiques à grande échelle sont continuellement mis à niveau de manière itérative
Gemini peut gérer le texte, l’audio et la vidéo. Source de l'image : Google Inc.
2023 est « l’année de l’intelligence artificielle générative ».
Cette année, les performances du GPT-4 ont été jugées « comparables à celles des humains ». Environ quatre mois après la sortie du chatbot ChatGPT, OpenAI, la société derrière ChatGPT, a annoncé la sortie officielle de GPT-4, une technologie de nouvelle génération plus puissante qui prend en charge ChatGPT. Il possède des capacités de reconnaissance d'images, des capacités de raisonnement avancées et la capacité de traiter 25 000 mots, et ses performances ne sont pas inférieures à celles des humains dans certains tests.
Le 6 décembre, Google a annoncé le lancement d'un nouveau modèle d'intelligence artificielle appelé Gemini, affirmant que le modèle fonctionnait mieux que le modèle GPT-4 et que les humains « de niveau expert » dans une série de tests d'intelligence. Google affirme que la version Pro de milieu de gamme de Gemini a battu certains autres modèles, tels que le GPT3.5 d'OpenAI, mais que l'Ultra, plus puissant, dépasse les capacités de tous les modèles d'IA existants. Il obtient un score de 90 % sur le benchmark standard MMLU, tandis que les humains « experts » devraient atteindre 89,8 %. C'est la première fois qu'une intelligence artificielle bat les humains au test, et c'est le score le plus élevé parmi les modèles existants.
Le test comporte une série de questions difficiles, notamment des erreurs logiques, des problèmes éthiques dans des scénarios quotidiens, des problèmes médicaux, économiques et géographiques. Dans le même test, GPT-4 a obtenu un score de 87 %, LAMA-2 un score de 68 % et Claude2 un score de 78,5 %. Gemini a battu tous ces modèles sur 8 des 9 autres critères courants.