Ci-dessous montre une représentation graphique de la synapse. La synapse est constituée de sphères colloïdales reliées par des nano-canaux. Crédit : Université d’Utrecht
Des physiciens théoriciens de l'Université d'Utrecht, ainsi que des physiciens expérimentaux de l'Université Sogang en Corée du Sud, ont réussi à construire un système artificiel synapse. Cette synapse fonctionne avec l'eau et le sel et constitue la première preuve qu'un système utilisant le même support que notre cerveau peut traiter des informations complexes. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Actes de l'Académie nationale des sciences.
Dans le but d’améliorer l’efficacité énergétique des ordinateurs conventionnels, les scientifiques se tournent depuis longtemps vers le cerveau humain pour s’inspirer. Ils visent à imiter sa capacité extraordinaire de diverses manières. Ces efforts ont conduit au développement d’ordinateurs de type cerveau, qui s’écartent du traitement binaire traditionnel pour adopter des méthodes analogiques proches de celles de notre cerveau. Cependant, alors que notre cerveau fonctionne en utilisant comme milieu de l’eau et des particules de sel dissous appelées ions, la plupart des ordinateurs actuels inspirés du cerveau s’appuient sur des matériaux solides conventionnels.
Cela soulève la question : ne pourrait-on pas parvenir à une reproduction plus fidèle du fonctionnement du cerveau en adoptant le même support ? Cette possibilité intrigante est au cœur du domaine en plein essor de l’informatique neuromorphique iontronique.
Ci-dessous montre une représentation graphique de la synapse. La synapse est constituée de sphères colloïdales reliées par des nano-canaux. Crédit : Université d’Utrecht
Synapse artificielle
Dans la dernière étude publiée dans PNAS, les scientifiques ont, pour la toute première fois, démontré un système dépendant de l'eau et du sel, capable de traiter des informations complexes, reflétant la fonctionnalité de notre cerveau. Au cœur de cette découverte se trouve un minuscule appareil mesurant 150 micromètres sur 200, qui imite le comportement d'une synapse, un composant essentiel du cerveau responsable de la transmission des signaux entre les neurones.
Tim Kamsma, doctorant à l'Institut de physique théorique et à l'Institut de mathématiques de l'Université d'Utrecht et auteur principal de l'étude, exprime son enthousiasme en déclarant : « Bien que des synapses artificielles capables de traiter des informations complexes existent déjà sur la base de matériaux solides, nous montrons maintenant pour la première fois que cet exploit peut également être accompli en utilisant de l’eau et du sel. Il souligne : « Nous reproduisons efficacement le comportement neuronal en utilisant un système qui utilise le même milieu que le cerveau. »
« Peut-être que cela ouvrira la voie à des systèmes informatiques qui reproduisent plus fidèlement les capacités extraordinaires du cerveau humain. »
— Tim Kamsma, doctorant et auteur principal
Migration des ions
Le dispositif, développé par des scientifiques coréens et appelé memristor iontronique, comprend un microcanal en forme de cône rempli d'une solution d'eau et de sel. Lors de la réception d’impulsions électriques, les ions contenus dans le liquide migrent à travers le canal, entraînant des modifications de la concentration ionique. En fonction de l'intensité (ou de la durée) de l'impulsion, la conductivité du canal s'ajuste en conséquence, reflétant le renforcement ou l'affaiblissement des connexions entre neurones. L'étendue du changement de conductance sert de représentation mesurable du signal d'entrée.
Une autre constatation est que la longueur du canal a un impact sur la durée nécessaire à la dissipation des changements de concentration. « Cela suggère la possibilité d'adapter les canaux pour conserver et traiter les informations pendant des durées variables, encore une fois semblables aux mécanismes synaptiques observés dans notre cerveau », explique Kamsma.
Image microscopique de la synapse artificielle. Crédit : Université d’Utrecht
Ouah!
La genèse de cette découverte remonte à une idée conçue par Kamsma, qui a récemment commencé ses recherches doctorales. Il a transformé ce concept, centré sur l'utilisation de canaux ioniques artificiels pour des tâches de classification, en un modèle théorique robuste.
« Par coïncidence, nos chemins se sont croisés avec le groupe de recherche en Corée du Sud au cours de cette période », se souvient Kamsma. « Ils ont adopté ma théorie avec beaucoup d'enthousiasme et ont rapidement lancé des travaux expérimentaux basés sur celle-ci. » Il est remarquable que les premiers résultats se soient concrétisés trois mois plus tard, ce qui correspond étroitement aux prédictions exposées dans le cadre théorique de Kamsma. « Je pensais wow! » il réfléchit. « C'est incroyablement gratifiant d'assister à la transition de la conjecture théorique aux résultats tangibles du monde réel, aboutissant finalement à ces magnifiques résultats expérimentaux. »
Un pas en avant significatif
Kamsma souligne la nature fondamentale de la recherche, soulignant que l’informatique neuromorphique iontronique, bien que connaissant une croissance rapide, en est encore à ses balbutiements. Le résultat envisagé est un système informatique largement supérieur en termes d’efficacité et de consommation d’énergie par rapport à la technologie actuelle. Cependant, la question de savoir si cette vision se concrétisera reste spéculative à ce stade. Kamsma considère néanmoins cette publication comme un pas en avant significatif.
« Cela représente une avancée cruciale vers des ordinateurs capables non seulement d'imiter les modes de communication du cerveau humain, mais également d'utiliser le même support », affirme-t-il. « Peut-être que cela ouvrira à terme la voie à des systèmes informatiques qui reproduisent plus fidèlement les capacités extraordinaires du cerveau humain. »
Les recherches doctorales de Tim Kamsma reçoivent un financement de la communauté Science for Sustainability de l'Université d'Utrecht. Grâce à son programme de doctorat, la communauté favorise la recherche fondamentale interdisciplinaire en matière de durabilité.
