Les mystères du fonctionnement du cerveau humain ont toujours troublé les scientifiques. Il y a toujours eu des tentatives pour imiter le cerveau humain. Le Human Brain Project est l’une de ces tentatives. A quel stade en sont les scientifiques ? Y a-t-il des réussites ?
Le cerveau humain est l’ordinateur biologique le plus mystérieux que nous connaissions. En fait, nous n’en savons pas assez à son sujet, malgré les efforts des scientifiques pour en apprendre davantage sur lui de manière de plus en plus sophistiquée au fil des siècles. Seules les technologies les plus récentes peuvent nous apporter de véritables connaissances sur lesquelles nous ne pouvions que deviner auparavant. Cela ne change rien au fait que nous sommes encore loin d’une pleine conscience. À quel stade en sont les scientifiques modernes ?
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Le terme « intelligence artificielle »
Dans les années 1950, lorsque le terme « intelligence artificielle » est apparu pour la première fois dans la science et que les chercheurs en IA ont prouvé avec succès qu'on pouvait apprendre à une machine à faire des choses que l'on ne pouvait pas faire soi-même, ils étaient enthousiasmés. La simple possibilité qu'une machine puisse apprendre, prouver des théorèmes mathématiques par elle-même (cela a été fait, par exemple, avec le programme Logic Theorist développé en 1955 par Allen Newell et Herbert Simon), ou jouer aux dames et battre un humain (programme d'Arthur Samuel, ingénieur chez IBM, puis professeur à l'université de Stanford), a fait croire au monde scientifique qu'une simulation complète du cerveau humain n'était que d'ici quelques années.
Des décennies ont passé, et malgré l’énorme croissance de la puissance de calcul, le développement de réseaux de neurones artificiels et d’algorithmes d’IA avec apprentissage automatique profond, nous sommes encore loin de simuler ne serait-ce que des fragments du cerveau. En termes simples, les pionniers de l'IA de la seconde moitié du 20e siècle ont largement sous-estimé les capacités de cette « masse gélatineuse » de nos tortues, composée à 90 % d'eau.
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Le cerveau est complexe
À la naissance, le cerveau humain pèse environ 300 g. Un cerveau adulte pleinement développé pèse environ 1,5 kg. Ce 1,5 kg contient tout notre univers et toutes les facultés mentales que nous possédons. Non seulement ceux qui sont conscients, comme la pensée abstraite, la créativité, mais aussi ceux dont nous n'avons pas conscience : la motilité des mouvements, le contrôle du système circulatoire, la respiration et bien plus encore.
Les scientifiques affirment souvent que le cerveau humain est constitué d’environ 100 milliards de neurones. Nous ne connaissons pas leur nombre exact, et il peut différer chez chaque individu de l'espèce humaine. Mais supposons que cela soit vrai et que ce nombre ne soit pas si petit. 100 milliards, c'est beaucoup, mais les superordinateurs modernes peuvent simuler des objets encore plus gros. Cependant, le problème est qu’un neurone est quelque chose de beaucoup plus complexe que, par exemple, un texel dans un graphique 3D, un pixel dans une image ou tout autre objet qui peut être décrit avec seulement un petit morceau de code.
Les neurones de notre cerveau sont connectés les uns aux autres. Il ne s’agit pas de connexions physiques, car les impulsions électriques générées dans les neurones individuels se propageraient alors rapidement dans tout le corps, ce qui rendrait pratiquement impossible leur fonctionnement. La transmission des informations dans notre cerveau repose à la fois sur l’électricité (impulsions) et la chimie (neurotransmetteurs). Chaque neurone (rappelons l'image désormais populaire d'un neurone comme un « arbre » avec des dendrites caractéristiques) peut être connecté aux autres à l'aide de jusqu'à dix mille connexions synaptiques.
D'accord, 10000 XNUMX connexions à partir d'une cellule nerveuse représentent un niveau de complexité beaucoup plus élevé que les portes logiques des transistors. Si nous essayons de compter le nombre de toutes les connexions possibles entre les neurones et les états qu’ils peuvent avoir à un moment donné (une seule), nous obtiendrons un nombre énorme qui dépasse de loin le nombre estimé d’atomes dans l’ensemble de l’univers observable. En utilisant cette approche, de nombreux scientifiques spécialisés en neurobiologie et ayant également une formation en informatique estiment que, même avec le niveau actuel des connaissances et son développement attendu, une simulation complète d'un organe aussi complexe est une tâche qui dépassera nos capacités pour un long moment. Mais cela ne veut pas dire que les scientifiques ne font rien et n’ont rien réalisé. Jetons un coup d'œil à quelques projets visant à simuler, sinon l'intégralité de l'esprit humain, du moins une partie de celui-ci.
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40 minutes et une seconde
En 2013, des scientifiques japonais de l'Institut technologique d'Okinawa et des chercheurs allemands du Forschungszentrum Jülich ont uni leurs forces et ont utilisé l'un des superordinateurs les plus puissants de notre planète à l'époque (appelé K Computer, leader du Top500 en 2011) avec une puissance de calcul de 8,16 PFLOPS (ou 8,16 quadrillions d'opérations à virgule flottante par seconde) pour essayer de simuler juste une tranche du cerveau. En général, la simulation consistait à cartographier le travail de 1,73 milliard de neurones, qui créaient ensemble un réseau de 10,4 billions de connexions synaptiques. Cela représente un peu plus de 1 % du potentiel de cette « gelée » biologique coincée dans votre crâne. La simulation a utilisé toute la puissance des processeurs 82944 Sparc64 VIIIfx (un système a une fréquence d'horloge de 2 GHz et 8 cœurs). Cette approche a-t-elle fonctionné ?
D’après les scientifiques, oui, mais d’un autre côté… cela dépend du point de vue où l’on regarde les choses. Environ 40 minutes de fonctionnement de ce supercalculateur ont duré pour une simulation de seulement 1 seconde de fonctionnement du fragment mentionné du réseau neuronal du cerveau. Par conséquent, même si la simulation a été réalisée, on peut parler de succès, car les effets, le temps de calcul et le volume de la simulation montrent à quel point nous sommes confrontés à un énorme problème. Et il ne faut pas oublier qu'avec l'augmentation du nombre de neurones, la complexité du réseau synaptique augmente non pas de manière linéaire, mais de façon exponentielle ! Si même le supercalculateur américain Frontier, actuellement le plus rapide, fonctionnant au laboratoire national d'Oak Ridge et doté d'une puissance de calcul allant jusqu'à 1102 135 PFLOPS, soit 135 fois supérieure à l'ordinateur K japonais mentionné, était utilisé pour la même tâche, cela ne signifierait pas que Frontier pourrait simuler (avec les mêmes paramètres de modèle) un réseau neuronal 1,73 fois plus grand. La même simulation d'une seconde réelle d'un réseau de 40 milliard de neurones durera sur un supercalculateur américain non pas 18 minutes, mais moins de XNUMX secondes. Mais cela représente bien plus qu’une véritable simulation de réseau en temps réel et ne représente qu’une petite partie de ce que nous avons en tête. Simuler le fonctionnement de l’esprit tout entier relève toujours du domaine de la science-fiction. Mais les scientifiques essaient toujours.
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Projet européen sur le cerveau humain
Le Human Brain Project (HBP) par son ampleur et les fonds alloués à ce projet scientifique peuvent être comparés à un autre projet lié à l'homme - le célèbre projet "Human Gene", qui a duré de 1990 à 2003. Pour bien comprendre le génome humain, le Human Brain Project vise à aider les scientifiques à mieux comprendre notre cerveau. Cependant, le Human Brain Project, en cours depuis 2013 et qui devait initialement se terminer après une décennie de recherche (c'est-à-dire en 2023), est loin de simuler l'ensemble du cerveau. Alors, quels objectifs les scientifiques envisagent-ils d’atteindre avec cette recherche ?
L’objectif principal de HBP n’est pas de simuler l’ensemble du cerveau, car j’espère que nous avons déjà montré que cette tâche dépasse les capacités de notre civilisation actuelle. L’objectif est de maîtriser au moins partiellement la complexité du cerveau. Cela contribuera au développement de sciences telles que la médecine, l’informatique, la neurologie, ainsi qu’au développement de technologies dont le travail s’inspire du fonctionnement de notre esprit.
L'un des résultats du projet HBP est la création d'une plateforme numérique de recherche sur le cerveau, EBRAINS. EBRAINS est une plateforme open source qui permet aux chercheurs du monde entier d'utiliser des outils numériques disponibles dans un environnement cloud sécurisé. En d’autres termes, EBRAINS fournit aux scientifiques les outils nécessaires pour modéliser et analyser le fonctionnement de zones individuelles du cerveau.
L'un de ces outils est le programme de simulation cérébrale virtuelle créé par HBP et EBRAINS. Cet outil est totalement incapable de simuler le travail de l'ensemble du cerveau, mais il permet, par exemple, aux chercheurs de nouveaux médicaments de simuler leurs effets sur des groupes de neurones. Cela permettra aux scientifiques de développer de nouveaux traitements utiles pour des maladies complexes telles que la maladie d'Alzheimer, la dépression, la maladie de Parkinson, etc.
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Initiative américaine BRAIN
Un projet encore plus vaste et plus récent lancé par des instituts de recherche américains est la US BRAIN Initiative. Il s’agit d’un autre projet de recherche pluriannuel et de plusieurs milliards de dollars visant à cartographier le connectome humain. Qu'est-ce qu'une connexion ? Il s'agit d'un ensemble de connexions nerveuses de cet organisme. Tout comme le génome est une carte complète de la chaîne génétique, le protéome est une carte complète des protéines d'un organisme donné. On connaît déjà le génome humain, sa découverte a coûté des milliards de dollars. Aujourd'hui, les tests génomiques sont largement disponibles et, par exemple, les tests génétiques pour détecter la présence d'un défaut coûtent plusieurs centaines de dollars. Un génome complet coûte légèrement plus cher, mais reste néanmoins plusieurs fois inférieur au coût de la première lecture d’ADN humain.
Revenons à Connectome et au projet américain BRAIN. Quel est le but de ce projet ? Josh Gordon, directeur de l'Institut national américain de la santé mentale à Bethesda, Maryland, a déclaré : « Connaître tous les types de cellules cérébrales, comment elles se connectent les unes aux autres et comment elles interagissent ouvrira la voie à un tout nouvel ensemble de thérapies que nous avons aujourd'hui. je ne peux même pas imaginer." Actuellement, le plus grand catalogue mondial de types de cellules nerveuses est en cours de création et de développement systématique. Ce catalogue, appelé BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), décrit le nombre de types différents de cellules présentes dans le cerveau, dans quelles proportions elles se produisent, comment elles sont réparties dans l'espace et quelles interactions se produisent entre elles.
D’où vient cette approche ? De la nécessité de comprendre le fonctionnement du cerveau. Les avantages de cette approche sont expliqués dans une déclaration à Nature du neuroscientifique Christoph Koch, scientifique principal du programme MindScope, mis en œuvre par l'Allen Institute for Brain Science à Seattle : « Tout comme rien en chimie n'a de sens sans le tableau périodique des éléments. éléments, rien n’aura de sens pour comprendre le cerveau sans comprendre l’existence et le fonctionnement de différents types de cellules.
Si nous atteignions hypothétiquement le potentiel technologique permettant de scanner cellule par cellule et, par exemple, de recréer le cerveau humain, une telle approche signifierait que même si nous y parvenions (ce qui n'est pas réaliste aujourd'hui), nous ne comprendrions toujours pas pourquoi le le cerveau fonctionne comme il se produit réellement. Et peu importe que nous parlions du cerveau comme d’un organe biologique vivant ou de son homologue numérique hypothétiquement cloné. CERVEAU et répertoire BICN sont des points de départ pour comprendre la structure et le fonctionnement de chaque circuit neuronal, et donc pour comprendre le comportement complexe qui régit toutes les espèces possédant un organe aussi complexe que le cerveau.
Les recherches se poursuivent et les scientifiques présentent constamment leurs nouvelles réalisations sur un site Internet spécialement créé. Par conséquent, je suis sûr que bientôt des découvertes encore plus intéressantes nous attendent.
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