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Un
robot contrôlé par des neurones de rat
par
Christophe Jacquemin 17/08/2008
Sur
les traces de Steve
Potter, professeur d'ingénierie biomédicale
au Georgia Institute of Technology d'Atlanta (USA), pionnier
des robots contrôlés par des neurones vivants(1),
l'université de Reading au Royaume-Uni vient d'annoncer
la mise au point d'un robot contrôlé entièrement
par des neurones vivants... de rats.
Notons que même si la presse a abondamment ici fait
l'état d'une première, il faut signaler que
Steve Potter avait déjà bien défriché
le travail depuis longtemps avec son robot baptisé
"Hybrot" - hybride de composants biologiques et
robotiques (notre
actualité du 04/01/2003 et du 08/05/03).
Le
champ d'étude de la connexion de neurones vivant sur
des électrodes a d'ailleurs démarré dès
1972, lorsque des scientifiques ont commencé à
"cultiver" des cellules cardiaques in vitro afin
d'en
enregistrer lessignaux électriques. Et c'est dès
1979, que les scientifiques américains mirent au point
la technologie permettant de stimuler et d'enregistrer les
signaux émis par les neurones cultivés in vitro,
conduisant
aujourd'hui à l'électrode multi tableau (multi-electrode
arrays, ou MEA) qui, selon Steve Potter, constitue le sésame
pour une meilleure compréhension de notre cerveau.
"Avec ce genre de dispositif, version très simplifiée
de ce qui se passe dans le cerveau humain», vous pouvez
manipuler les neurones beaucoup plus facilement que vous ne
pourriez le faire sur un animal, en coupant par exemple certaines
connexions et voir les effets induits sur la signalisation
générale..."
Mais
revenons à nos moutons (où plutôt à
nos rats) et à l'annonce faite par l'université
de Reading, sous la houlette du professeur Kevin Warwick,
le responsable de l'équipe multidisciplinaire(2)
venant de concevoir le robot "Gordon" (image de
droite). Répétons-le : il s'agit d'un robot
possédant un cerveau mi-biologique, mi-électronique
élaboré à partir de neurones prélevés
sur un rat.
A l'aide d'une solution chimique et d'électrodes (MEA
de 60 électrodes), les chercheurs ont réussi
à créer des connexions entre ces neurones au
départ désassemblés, aboutissant ainsi
à l'équivalent très simplifié
d'un cerveau capable d'apprendre certains comportements.
"Dans les 24 heures, des connexions ont poussé
entre les neurones qui étaient séparés,
formant un réseau comme dans un cerveau normal",
explique Kevin Warwick. "Et en une semaine il s'est
produit des impulsions électriques spontanées
et ce qui paraissait être une activité de cerveau
ordinaire".
|
Le
dispositif
Les
cellules nerveuses, sont placées sur le fond
du Multi Electrode Array (MEA). Elles développent
entre elles des liens les unes avec les autres.
Les électrodes intégrées dans le
substrat permettre l'enregistrement discrets de signaux
électriques produits par les cellules.
Vue
au microscope : les cellules (de forme irrégulière)
se développent sur le tapis d'électrodes
(MEA), créant des connexions entre elles. L'enregistrement
de l'activité électrique est assurée
par les électrodes (grand cercle noir).
Les
cultures de réseaux de neurones vivants sur les
MEA sont nourries
dans un environnement stérile (usage notamment
d'antibiotiques), avant de les
replacer dans des anneaux (anneaux blancs sur la photo)
protégeant
les cellules des influences de l'environnement
|
Ce
"cerveau" produit des impulsions électriques,
reliées au robot par des électrodes, ce qui
lui permet de contrôler son fonctionnement : "Nous
lui avons déjà donné un certain apprentissage
par répétition, puisqu'il reproduit certaines
actions", explique le chercheur. "Plus le
cerveau enregistre de stimulations, plus les connexions entre
les neurones se renforcent. Gordon a ainsi appris, par
exemple, à contourner des obstacles, à éviter
un mur.
Selon le savant, 50.000 à 100.000 neurones sont aujourd'hui
en activité dans le cerveau de Gordon. A titre de comparaison,
un rat en possède au plus un million, et un homme environ
100 milliards.
A gauche : le robot constitue le "corps" agissant
du réseau de neurones.
Gordon est équipé de sonars et de capteurs de
lumière jouant le rôle sensoriel d'entrée.
En sortie : contrôle de la vitesse de rotation des roues
et de la direction.
A droite: Exemple de signaux électriques détectés
sur une électrode.
film
de présentation
Des
applications potentielles ?
En
agissant à l'aide de stimulations électriques
et en utilisant des produits chimiques, l'équipe serait
en mesure de dicter d'autres comportements au robot. Les chercheurs
espèrent qu'au fur et à mesure de la progression
de l'apprentissage, il sera possible d'enregistrer la façon
dont les souvenirs et la mémoire se manifestent dans
le cerveau lorsque le robot revisite un terrain connu. Ainsi,
selon Kevin Warwick, en permettant de suivre les réactions
des neurones en activité, d'étudier le fonctionnement
de la mémoire et les moyens de la contrôler,
ce type d'expérience pourrait trouver des applications
dans le domaine des traitements de maladies neurodégénératives,
comme la maladie d'Alzheimer ou de Parkinson.. "Nous
voulons comprendre comment les souvenirs sont archivés
dans un cerveau biologique, par rapport à un cerveau
d'ordinateur" (...) "Nos travaux ont ainsi un rapport
avec Alzheimer en ce qui concerne le stockage de la mémoire
et comment on peut le renforcer, par exemple en augmentant
les stimuli électriques", indique-t-il.
Pour
notre part, notons finalement que la question essentielle
est de savoir si, avec un tel dispositif, on pourra vraiment
comprendre un jour comment fonctionnent les facultés
cérébrales humaines. Gardons à l'esprit
que ce système constitue un modèle bien pauvre.
Un couplage mi-biologique, mi-électronique, n'est pas
vraiment du vivant. Encore faudrait-il aussi que le robot
soit doté d'un système endocrinien...
Et quant à utiliser des neurones humains pour Gordon....
serait soulever ici une profonde question éthique.
Notes
(1) Cf Steve Potter & al., "The
neurally controlled animat : biological brains acting with
Simulated Bodies", in Autonomous Robots 11: 305-310.
http://www.neuro.gatech.edu/groups/potter/papers/AutonRobots.pdf
(2) Collaboration entre le département
d'ingénierie des systèmes et le département
de Pharmacie de l'Université de Reading. L'équipe
compte 8 chercheurs : Elio Caccavale, Mark Hammond, Dimitris
Xydas, Julia Downes, Ben Whalley, Victor Becerra, Slawomir
Jaroslaw Nasuto, Kevin Warwick
Pour
en savoir plus :
Communiqué
de presse de l'université de Reading (en anglais):
http://www.reading.ac.uk/about/newsandevents/releases/PR16530.asp
Vidéo
: Interview de Kevin Warwick et de Ben Whalley : http://www.reading.ac.uk/researchdownloads/UoRrobotwithabiologicalbrain.wmv
