Une image microscopique de cellules neurales où des marqueurs fluorescents montrent différents types de cellules. Le vert marque les neurones et les axones, le violet les neurones, le rouge les dendrites et le bleu toutes les cellules. Lorsque plusieurs marqueurs sont présents, les couleurs sont fusionnées et apparaissent généralement en jaune ou en rose selon la proportion de marqueurs. Crédit : Laboratoires corticaux
DishBrain révèle comment les neurones humains travaillent ensemble pour traiter les informations.
De nouvelles recherches montrent que lorsque les neurones reçoivent des informations sur le monde changeant qui les entoure (entrées sensorielles liées à une tâche), cela modifie leur comportement, les mettant à rude épreuve, de sorte que de minuscules entrées peuvent ensuite déclencher des « avalanches » d’activité cérébrale, ce qui conforte une théorie. connue sous le nom d’hypothèse critique du cerveau.
Les chercheurs de Cortical Labs et de l’Université de Melbourne ont utilisé DishBrain, une collection de 800 000 cellules neurales humaines apprenant à jouer au Pong. L’étude a été publiée récemment dans la revue Communications naturelles
Il s’agit à ce jour de la preuve la plus solide en faveur d’une théorie controversée sur la manière dont le cerveau humain traite l’information.
Selon l’hypothèse critique du cerveau, de grands comportements complexes ne sont rendus possibles que lorsque les neurones sont si nerveux que de minuscules signaux peuvent déclencher des « avalanches » d’activité cérébrale.
Cet état d’équilibre fin est connu sous le nom d’état « critique neuronal » et se situe entre deux extrêmes : l’excitation incontrôlée observée dans des troubles tels que l’épilepsie et un état de coma dans lequel les signaux stagnent.
« Cela montre non seulement que le réseau se réorganise dans un état quasi critique à mesure qu’il est alimenté en informations structurées, mais qu’atteindre cet état conduit également à une meilleure performance des tâches », déclare le Dr Brett Kagan, directeur scientifique de la start-up de biotechnologie Cortical Labs, qui a créé DishBrain.
« Les résultats sont étonnants, bien au-delà de ce que nous pensions obtenir. »
La recherche ajoute une pièce essentielle au puzzle de l’hypothèse critique du cerveau.
Forough Habibollahi, premier auteur de l’étude. Crédit : Forough Habibollahi
Principales conclusions et implications
Jusqu’à présent, il y avait peu de preuves expérimentales démontrant si la criticité est une caractéristique générale des réseaux neuronaux biologiques ou si elle est liée à la charge informationnelle.
« Nos résultats suggèrent qu’un comportement de réseau quasi critique apparaît lorsque le réseau neuronal est engagé dans une tâche, mais pas lorsqu’il n’est pas stimulé », explique le Dr Kagan.
Cependant, les recherches du Dr Kagan montrent que la criticité seule ne suffit pas à piloter l’apprentissage par un réseau neuronal.
« L’apprentissage nécessite une boucle de rétroaction, dans laquelle le réseau reçoit des informations supplémentaires sur les conséquences d’une action », explique le Dr Kagan.
Les dernières recherches soulignent le potentiel de DishBrain pour aider à percer les secrets du cerveau humain et de son fonctionnement, ce qui n’est pas possible avec des modèles animaux.
« Habituellement, pour étudier le cerveau, notamment à l’échelle des neurones, les chercheurs doivent utiliser des modèles animaux, mais ce faisant, il y a beaucoup de difficultés et on ne peut avoir qu’un nombre limité de sujets », explique le premier auteur, le Dr Forough Habibollahi. , chercheur chez Cortical Labs.
« Alors, quand j’ai vu la capacité unique de DishBrain à répondre à différents types de questions d’une manière que personne d’autre ne pourrait faire, j’étais très enthousiaste à l’idée de démarrer ce projet et de rejoindre l’équipe. »
Applications et possibilités futures
Les médecins voient également un grand potentiel dans la recherche pour aider à découvrir des traitements contre les maladies cérébrales invalidantes.
«Le projet de criticité DishBrain a été une expérience de collaboration incroyable entre les laboratoires corticaux, le génie biomédical et la neurologie», déclare le Dr Chris French, auteur de l’article, responsable du laboratoire de dynamique neuronale du département de médecine de l’Université de Melbourne.
« La dynamique critique des neurones DishBrain devrait fournir des biomarqueurs clés pour le diagnostic et le traitement d’une gamme de maladies neurologiques allant de l’épilepsie à la démence », dit-il.
En construisant un modèle de cerveau vivant, les scientifiques pourront expérimenter en utilisant les fonctions cérébrales réelles plutôt que des modèles analogues défectueux comme un ordinateur, non seulement pour explorer les fonctions cérébrales, mais également pour tester comment les médicaments les affectent.
La recherche a également le potentiel de résoudre les défis auxquels sont confrontées les interfaces cerveau-ordinateur qui pourraient restaurer les fonctions perdues à la suite de lésions neuronales, explique le professeur Anthony Burkitt, auteur de l’article et président du département Bio-signaux et bio-systèmes de l’Université de Melbourne. Département de génie biomédical.
« Une caractéristique clé de la prochaine génération de prothèses neurales et d’interfaces cerveau-ordinateur que nous étudions actuellement implique l’utilisation de stratégies en boucle fermée en temps réel », dit-il. « Les résultats de cette étude pourraient donc avoir des implications importantes pour comprendre comment ces stratégies de contrôle et de stimulation interagissent avec les circuits neuronaux du cerveau. »
« Ce domaine de la modélisation biologique du cerveau en est à ses balbutiements mais ouvre la voie à un tout nouveau domaine scientifique », déclare le Dr Kagan.
Abstrait
Des dynamiques critiques surviennent lors de la présentation structurée d’informations au sein de réseaux neuronaux in vitro incorporés
Forough Habibollahi, Brett J. Kagan, Anthony N. Burkitt et Chris French
Comprendre comment le cerveau traite les informations est une tâche incroyablement difficile. Parmi les mesures caractérisant le traitement de l’information dans le cerveau, les observations d’états dynamiques quasi critiques ont suscité un intérêt considérable.
Cependant, les limites théoriques et expérimentales associées aux modèles humains et animaux ont empêché de répondre définitivement à la question de savoir quand et pourquoi la criticité neuronale apparaît avec des liens entre l’attention, la cognition et la conscience.
Pour explorer ce sujet, nous avons utilisé un réseau neuronal in vitro de neurones corticaux entraînés à jouer à un jeu simplifié de « Pong » afin de démontrer l’intelligence biologique synthétique (SBI).
Nous démontrons qu’une dynamique critique émerge lorsque les réseaux de neurones reçoivent une entrée sensorielle structurée liée à une tâche, réorganisant le système dans un état quasi critique. De plus, une meilleure performance des tâches était corrélée à la proximité des dynamiques critiques. Cependant, la criticité seule ne suffit pas pour qu’un réseau neuronal démontre un apprentissage en l’absence d’informations supplémentaires sur les conséquences des actions précédentes. Ces résultats confirment de manière convaincante que la criticité neuronale apparaît comme une caractéristique de base du traitement des informations structurées entrantes sans nécessiter une cognition d’ordre supérieur.
