Les ordinateurs alimentés par des cellules cérébrales humaines peuvent sembler relever de la science-fiction, mais une équipe de chercheurs américains estime que ces machines, qui font partie d'un nouveau domaine appelé « intelligence organoïde », pourraient façonner l'avenir - et ils ont maintenant un plan pour y parvenir.Les organoïdes sont des tissus cultivés en laboratoire qui ressemblent à des organes. Ces structures tridimensionnelles, généralement dérivées de cellules souches, sont utilisées en laboratoire depuis près de vingt ans, où les scientifiques ont pu éviter les tests dangereux sur l'homme ou l'animal en expérimentant sur les substituts de reins, de poumons et d'autres organes.
Les organoïdes cérébraux ne ressemblent pas vraiment à de minuscules versions du cerveau humain, mais les cultures de cellules de la taille d'un point de stylo contiennent des neurones capables de fonctions cérébrales, formant une multitude de connexions. Thomas Hartung, professeur de santé environnementale et d'ingénierie à l'École de santé publique Johns Hopkins Bloomberg et à l'École d'ingénierie Whiting de Baltimore, a commencé à cultiver des organoïdes cérébraux en modifiant des échantillons de peau humaine en 2012.
Lui et ses collègues envisagent de combiner la puissance des organoïdes cérébraux dans un type de matériel biologique plus économe en énergie que les superordinateurs. Ces « biocomputers » utiliseraient des réseaux d'organoïdes cérébraux pour révolutionner les tests pharmaceutiques pour des maladies telles que la maladie d'Alzheimer, fournir des informations sur le cerveau humain et changer l'avenir de l'informatique. La recherche décrivant le plan d'intelligence organoïde élaboré par Hartung et ses collègues a été publiée dans la revue Frontiers in Science.
Cette image agrandie montre un organoïde cérébral produit dans le laboratoire de Hartung. La culture a été teintée pour montrer les neurones en magenta, les noyaux cellulaires en bleu et les autres cellules de soutien en rouge et en vert.
« L'informatique et l'intelligence artificielle ont été le moteur de la révolution technologique, mais elles atteignent un plafond », a déclaré Hartung, auteur principal de l'étude, dans un communiqué. « La bio-informatique est un effort énorme de compactage de la puissance de calcul et d'augmentation de son efficacité pour repousser nos limites technologiques actuelles. »
Qu'est-ce que l'intelligence organoïde ?
Le cerveau humain a inspiré l'IA - qui peut accomplir un large éventail de tâches, du diagnostic des maladies à la création de contenu intelligent. Toutefois, le cerveau, qui est le modèle original, continue de surpasser l'IA à bien des égards : la puissance de calcul de l'IA est dérisoire comparativement à celle du cerveau humain. Pour de nombreux chercheurs, il est donc préférable de travailler directement sur la surface, plutôt que de rendre l'IA plus semblable au cerveau. Un groupe de scientifiques a dévoilé mardi les plans d'un projet visant à faire progresser l'informatique dans ce sens. La feuille de route décrit ce qu'ils appellent "l'intelligence organoïde" (IO).
« Nous appelons ce nouveau domaine interdisciplinaire intelligence organoïde. Un groupe de scientifiques de haut niveau s'est réuni pour développer cette technologie, qui, selon nous, lancera une nouvelle ère de bio-informatique rapide, puissante et efficace », a déclaré le professeur Thomas Hartung de l'université Johns Hopkins. Le plan, publié dans la revue Frontiers in Science, vise à créer des bio-ordinateurs alimentés par des cellules cérébrales humaines. Selon les experts, ces bio-ordinateurs pourraient être plus rapides, plus efficaces et plus puissants que l'informatique et l'IA basées sur le silicium, et ne nécessiteront qu'une fraction de l'énergie.
En mars 2023, des chercheurs issus de diverses disciplines ont dévoilé une feuille de route visant à créer des bio-ordinateurs à partir de cellules cérébrales humaines. Cette initiative implique la mise en place de systèmes de bio-informatique, où des cultures tridimensionnelles de cellules cérébrales, désignées sous le nom d'organoïdes, sont utilisées en tant que matériel biologique. Ce nouvel domaine interdisciplinaire est nommé « intelligence organoïde » (IO). Les chercheurs aspirent à développer l'IO en tant que « véritable forme d'informatique biologique exploitant les organoïdes cérébraux grâce aux progrès de la science et de la bio-ingénierie, de manière éthiquement responsable ».
Le potentiel informatique de l'intelligence organoïde
Les progrès récents dans le domaine des organoïdes cérébraux dérivés de cellules souches humaines offrent la possibilité de reproduire in vitro des aspects moléculaires et cellulaires fondamentaux liés à l'apprentissage, à la mémoire, voire à la cognition. En introduisant le terme « intelligence organoïde » pour englober ces avancées, nous lançons un programme collaboratif visant à concrétiser la vision d'un domaine multidisciplinaire dédié à l'IO. Ce programme s'efforce d'établir l'IO en tant que forme authentique d'informatique biologique, exploitant les organoïdes cérébraux grâce aux progrès scientifiques et bio-ingénieriques de manière éthiquement responsable.
À présent, il devient possible de créer des organoïdes cérébraux myélinisés normalisés en 3D, avec une densité cellulaire élevée et des niveaux accrus de cellules gliales ainsi que des expressions génétiques cruciales pour l'apprentissage. L'intégration de systèmes de perfusion microfluidiques permet une culture évolutive et durable, ainsi qu'une signalisation chimique spatiotemporelle. De nouveaux réseaux de microélectrodes en 3D facilitent la signalisation et l'enregistrement électrophysiologiques à haute résolution, explorant la capacité des organoïdes cérébraux à reproduire les mécanismes moléculaires de l'apprentissage et de la mémoire, et, ultimement, leur potentiel informatique.
Les technologies en développement pourraient ouvrir la voie à de nouveaux modèles de bio-informatique, notamment par le biais d'un entraînement stimulus-réponse et d'interfaces organoïdes-ordinateur. Nous envisageons des interfaces complexes, interconnectées, où les organoïdes cérébraux sont reliés à des capteurs et à des dispositifs du monde réel, ainsi qu'entre eux et avec des organoïdes d'organes sensoriels, par exemple des organoïdes rétiniens. Ces systèmes pourraient être formés à l'aide de méthodes de biofeedback, de stockage de données massives et d'apprentissage automatique.
Parallèlement, nous mettons l'accent sur une approche éthique intégrée pour analyser de manière itérative et collaborative les questions éthiques soulevées par la recherche sur l'IO, impliquant toutes les parties prenantes concernées. Les nombreuses applications potentielles de cette recherche plaident en faveur d'un développement stratégique de l'IO en tant que discipline scientifique. Nous anticipons que les systèmes de bio-informatique basés sur l'IO permettront une prise de décision plus rapide, un apprentissage continu pendant les tâches, et une efficacité accrue en termes d'énergie et de données. De plus, le développement d'une "intelligence dans un plat" pourrait contribuer à élucider la physiopathologie de maladies développementales et dégénératives dévastatrices, comme la démence, facilitant ainsi l'identification de nouvelles approches thérapeutiques pour répondre aux principaux besoins non satisfaits à l'échelle mondiale.
Le cerveau humain face à l'intelligence artificielle
Bien que l'intelligence artificielle s'inspire des processus de pensée humains, la technologie ne peut pas reproduire entièrement toutes les capacités du cerveau humain. C'est pourquoi les humains peuvent utiliser une image ou un texte CAPTCHA (Completely Automated Public Turing Test To Tell Computers and Humans Apart) comme mesure de sécurité en ligne pour prouver qu'ils ne sont pas des robots.
Le test de Turing, également connu sous le nom de « jeu d'imitation », a été mis au point en 1950 par le mathématicien et informaticien britannique Alan Turing pour évaluer la manière dont les machines affichent un comportement intelligent similaire à celui d'un être humain.
Mais comment un ordinateur peut-il réellement se comparer à un cerveau humain ?
Un superordinateur peut calculer des quantités massives de chiffres plus rapidement qu'un être humain. « Par exemple, AlphaGo (l'IA qui a battu le numéro un mondial du jeu de Go en 2017) a été entraînée sur des données provenant de 160 000 parties », a déclaré Hartung. « Une personne devrait jouer cinq heures par jour pendant plus de 175 ans pour expérimenter ces nombreuses parties ».
D'un autre côté, le cerveau humain est plus économe en énergie et plus apte à apprendre et à prendre des décisions logiques complexes. Une chose aussi élémentaire que la capacité à distinguer un animal d'un autre est une tâche que le cerveau humain accomplit facilement et qu'un ordinateur ne peut pas faire. Frontier, un superordinateur de 600 millions de dollars installé au laboratoire national d'Oak Ridge, dans le Tennessee, pèse un poids considérable de 3 629 kilogrammes (8 000 livres), chaque armoire pesant l'équivalent de deux camionnettes standard. En juin, la machine a dépassé la capacité de calcul d'un seul cerveau humain, mais elle a consommé un million de fois plus d'énergie, a déclaré M. Hartung.
« Le cerveau n'est toujours pas égalé par les ordinateurs modernes », a déclaré Hartung. « Les cerveaux ont également une capacité étonnante de stockage d'informations, estimée à 2 500 (téraoctets) », a-t-il ajouté. « Nous atteignons les limites physiques des ordinateurs en silicium, car nous ne pouvons pas mettre plus de transistors dans une puce minuscule. »
Comment pourrait fonctionner un bio-ordinateur
Les pionniers des cellules souches John B. Gurdon et Shinya Yamanaka ont reçu le prix Nobel en 2012 pour avoir mis au point une technique permettant de générer des cellules à partir de tissus entièrement développés, comme la peau. Cette recherche révolutionnaire a permis à des scientifiques comme Hartung de développer des organoïdes cérébraux qui ont été utilisés pour imiter des cerveaux vivants et pour tester et identifier des médicaments susceptibles de présenter des risques pour la santé du cerveau.
Hartung se souvient que d'autres chercheurs lui ont demandé si les organoïdes cérébraux pouvaient penser ou avoir une conscience. Cette question l'a incité à envisager de fournir aux organoïdes des informations sur leur environnement et sur la manière d'interagir avec celui-ci.
« Cela ouvre la voie à la recherche sur le fonctionnement du cerveau humain », a déclaré Hartung, qui est également codirecteur du Centre pour les alternatives à l'expérimentation animale en Europe. "Car on peut commencer à manipuler le système, à faire des choses que l'on ne peut pas faire de manière éthique avec des cerveaux humains. Hartung définit l'intelligence organoïde comme « la reproduction de fonctions cognitives, telles que l'apprentissage et le traitement sensoriel, dans un modèle de cerveau humain cultivé en laboratoire ».
Les organoïdes cérébraux actuellement utilisés par Hartung devraient être mis à l'échelle pour l'intelligence organoïde. Chaque organoïde contient à peu près le même nombre de cellules que le système nerveux d'une mouche à fruits. Un seul organoïde représente environ un tiers de millionième de la taille d'un cerveau humain, ce qui signifie qu'il équivaut à environ 800 mégaoctets de stockage de mémoire. « Les organoïdes sont trop petits, chacun contenant environ 50 000 cellules. Pour l'IO, nous devrions porter ce nombre à 10 millions », a-t-il déclaré.
Les chercheurs ont également besoin de moyens pour communiquer avec les organoïdes afin de leur envoyer des informations et de recevoir des relevés de ce que les organoïdes "pensent". Les auteurs de l'étude ont élaboré un schéma directeur qui fait appel à des outils issus de la bio-ingénierie et de l'apprentissage automatique, ainsi qu'à de nouvelles innovations. Le fait de permettre différents types d'entrées et de sorties dans les réseaux d'organoïdes permettrait d'accomplir des tâches plus complexes, écrivent les chercheurs dans l'étude.
« Nous avons mis au point un dispositif d'interface cerveau-ordinateur qui est une sorte de capuchon EEG (électroencéphalogramme) pour les organoïdes, que nous avons présenté dans un article publié en août dernier », a déclaré Hartung. « Il s'agit d'une coque flexible densément recouverte de minuscules électrodes qui peuvent à la fois capter les signaux de l'organoïde et lui transmettre des signaux. Hartung espère qu'un jour il y aura un canal de communication bénéfique entre l'IA et l'IO « qui permettrait aux deux d'explorer leurs capacités respectives ».
Les possibilités d'utilisation de l'intelligence des organoïdes
Selon les chercheurs, les contributions les plus importantes de l'intelligence des organoïdes pourraient se manifester en médecine humaine.
Des organoïdes cérébraux pourraient être développés à partir d'échantillons de peau de patients souffrant de troubles neuronaux, ce qui permettrait aux scientifiques de tester l'impact de différents médicaments et d'autres facteurs.
« Avec l'IO, nous pourrions également étudier les aspects cognitifs des maladies neurologiques », a déclaré Hartung. « Par exemple, nous pourrions comparer la formation de la mémoire dans des organoïdes dérivés de personnes saines et de patients atteints de la maladie d'Alzheimer, et essayer de réparer les déficits relatifs. Nous pourrions également utiliser l'IO pour vérifier si certaines substances, telles que les pesticides, provoquent des troubles de la mémoire ou de l'apprentissage. »
Les organoïdes cérébraux pourraient également ouvrir une nouvelle voie pour comprendre la cognition humaine.
« Nous voulons comparer les organoïdes cérébraux provenant de donneurs au développement normal et les organoïdes cérébraux provenant de donneurs atteints d'autisme », a déclaré Lena Smirnova, coauteur de l'étude et co-investigatrice, professeur adjoint de santé environnementale et d'ingénierie à l'université Johns Hopkins, dans un communiqué.
« Les outils que nous développons pour l'informatique biologique sont les mêmes que ceux qui nous permettront de comprendre les changements dans les réseaux neuronaux spécifiques à l'autisme, sans avoir à utiliser d'animaux ou à accéder à des patients, afin que nous puissions comprendre les mécanismes sous-jacents qui expliquent pourquoi les patients ont ces problèmes de cognition et ces déficiences », a-t-elle ajouté.
L'utilisation d'organoïdes cérébraux pour créer une intelligence organoïde n'en est encore qu'à ses balbutiements. Développer une IO comparable à un ordinateur doté de la puissance cérébrale d'une souris pourrait prendre des décennies, a déclaré Hartung.
Mais des résultats prometteurs illustrent déjà ce qui est possible. Brett Kagan, coauteur de l'étude et directeur scientifique de Cortical Labs à Melbourne, en Australie, et son équipe ont récemment montré que les cellules cérébrales peuvent apprendre à jouer au jeu vidéo Pong. « Leur équipe teste déjà cette technique avec des organoïdes cérébraux », a déclaré Hartung. « Je dirais que la reproduction de cette expérience avec des organoïdes répond déjà à la définition de base de l'IO. À partir de là, il ne reste plus qu'à créer la communauté, les outils et les technologies nécessaires à la réalisation du plein potentiel de l'IO. »
L'éthique des organoïdes cérébraux
La création d'organoïdes cérébraux humains capables de fonctions cognitives soulève un certain nombre de questions éthiques, notamment celle de savoir s'ils peuvent développer une conscience ou ressentir la douleur, et si les personnes dont les cellules ont été utilisées pour les fabriquer ont des droits sur les organoïdes.
« Un élément clé de notre vision est de développer l'IO d'une manière éthique et socialement responsable », a déclaré Hartung. C'est pourquoi nous nous sommes associés à des éthiciens dès le début afin d'établir une approche "éthique intégrée". Toutes les questions éthiques seront évaluées en permanence par des équipes composées de scientifiques, d'éthiciens et de membres du public, au fur et à mesure de l'évolution de la recherche".
Julian Kinderlerer, professeur émérite de droit de la propriété intellectuelle à l'université du Cap, en Afrique du Sud, a écrit, dans une perspective politique publiée séparément, qu'il est essentiel d'associer le public à la compréhension et au développement de l'intelligence des organoïdes. Kinderlerer n'a pas participé à la nouvelle étude de l'OI.
« Nous entrons dans un monde nouveau, où l'interface entre les humains et les constructions humaines brouille les distinctions », écrit Kinderlerer. « La société ne peut pas attendre passivement les nouvelles découvertes ; elle doit participer à l'identification et à la résolution d'éventuels dilemmes éthiques et s'assurer que toute expérimentation s'inscrit dans des limites éthiques qui restent à déterminer. »
L'observation du développement d'une intelligence artificielle telle que ChatGPT a amené certains à s'interroger sur la capacité des ordinateurs à passer le test de Turing, écrit Gary Miller, vice-doyen chargé de la stratégie de recherche et de l'innovation et professeur de sciences de la santé environnementale à l'université Columbia de New York, dans un autre article de Viewpoint publié mardi. Miller n'a pas participé à l'étude de l'université Johns Hopkins. Si le ChatGPT peut collecter efficacement des informations sur l'internet, il ne peut pas réagir à un changement de température comme le ferait un système cellulaire en culture, écrit-il.
« Les systèmes organoïdes cérébraux pourraient présenter des aspects clés de l'intelligence et de la sensibilité », a écrit Miller. « Cela exige un examen approfondi des implications éthiques de la technologie, auquel les éthiciens doivent participer. Nous devons nous assurer que chaque étape du processus est menée avec intégrité scientifique, tout en reconnaissant que la question la plus importante est l'impact potentiel sur la société. L'IO brouille la frontière entre la cognition humaine et l'intelligence des machines, et la technologie et la biologie progressent à une vitesse qui pourrait dépasser les discussions éthiques et morales nécessaires. Ce domaine émergent doit adopter une approche vigoureuse pour aborder les questions éthiques et morales qui accompagnent ce type de progrès scientifique, et ce avant que la technologie ne s'écrase dans l'abîme moral ».
Source : Johns Hopkins University, Organoid intelligence (OI): the new frontier in biocomputing and intelligence-in-a-dish
Et vous ?
Quel est votre avis sur le sujet ? Que pensez-vous du concept d'intelligence organoïde ? Que pensez-vous des bio-ordinateurs ? Représentent-ils le futur ? Selon vous, la technologie telle qu'elle est présentée dans l'étude est-elle viable ?Voir aussi :
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