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Du côté des labos

Simulation d'un cortex de souris sur un super-calculateur ?
Christophe Jacquemin - 03/05/07

Le supercalculateur Blue Gene L - photo : D.RJames Frye, Rajagopal Ananthanarayanan, et Dharmendra S. Modha, chercheurs chez IBM (Almaden Research Lab) et de l'University du Nevada, ont implémenté une simulation massivement parallèle d'un modèle de cortex de souris sur un super-calculateur 4096 Blue Gene L.
Sur des modèles analogues plus réduits, ils avaient observé des propriétés dynamiques constantes telles que la formation spontanée de groupes de neurones et des patterns de décharge synchrone/asynchrone. L'objectif avec ce nouveau modèle était de raffiner l'architecture de calcul et d'ajouter des détails neurobiologiques intéressant la macro et la micro neuroanatomie, des neuromodulateurs et des équations dynamiques concernant les relations entre neurones et synapses.

Le nombre de neurones estimés pour les deux hémisphères du cortex de la souris est de 16 millions (100 milliards pour un cerveau humain), avec 8.000 synapses par neurone.
Dans un premier temps, les chercheurs ont effectué les calculs sur un modèle simplifié comprenant 8 millions de neurones et 6.300 synapses par neurone. Les délais des influx nerveux ont été ici fixés entre 1ms et 20 ms, une telle modélisation imposant des contraintes énormes en matière de puissance de calcul et de mémoire. La durée de la simulation a été calculée pour 10 secondes, à une vitesse dix fois inférieure au temps réel d'activation des neurones. Dès lors, avec une résolution de 1ms et une fréquence d'1 Hz, l'expérience a permis de simuler 1 seconde du fonctionnement des 8 millions de neurones du modèle (soit une moitié de "cerveau" d'une souris).
Une deuxième expérience a été menée en simulant en simulant le fonctionnement de 16 millions de neurones avec 8.000 synapses par neurones. Pour cela, les chercheurs ont utilisé une configuration à 8.192 processeurs de leur BlueGene/L avec 4To de mémoire vive. La simulation de 5 s de fonctionnement a été effectuée en 168 s en temps réel.
Un dernier test de montée en charge a permis de réaliser la même expérience avec 16.000 synapses par neurone pour un temps d'exécution restant dans le même ordre de grandeur.

Nécessité d'une théorie intégrative générale

Disons-le tout net : avec ces travaux il s'agissait plus de mettre en évidence la faisabilité de simuler un nombre important de connexions et d'étudier l'échange d'informations à très grande échelle que de reproduire le fonctionnement effectif du cerveau. Les chercheurs ont en particulier pu affiner leur modèle pour éviter les phénomènes d'atténuation ou d'avalanche dans le déclenchement des influx nerveux.

Les recherches en intelligence artificielle tireront sûrement le plus grand profit de cette prouesse technologique. Cela dit, simuler le fonctionnement d'un cerveau ne se réduit pas au simple fonctionnement des neurones et de leurs synapses et du nombre de ceux-ci. Un bon modèle ne doit pas être restreint à une simple juxtaposition des neurones et de ses synapses (chacun étant simulé par un processeur), mais doit rendre compte de l'intégration mathématique de leur fonctionnement au sein d'un système plus général simulant le réel tissu nerveux. En effet, la cognition résulte des propriétés émergentes du tissu nerveux, qui elle-même résulte des couplages entre les éléments du tissu. Un bon modèle doit notamment être capable de coupler le système neuronal au système glial et vasculaire...

On en revient toujours à la même remarque : une théorie intégrative générale est nécessaire. Les chercheurs d'IBM trouveront à notre avis avantage à lire les articles du neurobiologiste Gilbert Chauvet sur la question, notamment ceux parus dans le Journal of integrative neuroscience, septembre 2006 (volume 5, n°3).

Pour en savoir plus
IBM Research Report, "Scaling, Stability, and Synchronization in Mouse-sized (and Larger) Cortical Simulations", par Rajagopal Ananthanarayanan et Dharmendra S. Modha, 17 février 2007
http://www.almaden.ibm.com/cs/people/dmodha/CNS2007.pdf
IBM Research Report, "Towards Real-Time, Mouse-Scale Cortical Simulations" , par James Frye, Rajagopal Ananthanarayanan, et Dharmendra S. Modha, 5 février 2007
http://www.modha.org/papers/rj10404.pdf

Articles de Gilbert Chauvet publiés dans le Journal of Integrative neuroscience, vol 5, n°3 (septembre 2006)
- page 381 : " A new paradigm for theory in integrative biology - The principe of auto-associative stabilization : biochemical networks and the selection of neuronal groups", par Gilbert Chauvet
http://www.worldscinet.com/jin/05/0503/S0219635206001264.html
- page 417 : "On the existence of physiological age based on functional hierarchy : a formal definition related to time irreversibility", par Gilbert Chauvet
http://www.worldscinet.com/jin/05/0503/S0219635206001240.html
- page 443 : "On the integration of physiological mechanisms in the nervous tissue using the MTIP : synaptic plasticity depending on neurons-astrocytes-capillaries interactions", par Pierre Chauvet, Jean-Marc Dupont et Gilbert Chauvet.
http://www.worldscinet.com/jin/05/0503/S0219635206001252.html


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