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Article
Le projet
Blue Brain et le programme européen Human
Brain Simulation Project HBSP
Jean-Paul Baquiast et Christophe
Jacquemin - 30/01/2011
Blue
Brain et HBSP : des programmes de simulation du cerveau
Le
projet Blue Brain a été initialisé
il y a plusieurs années dans le cadre d'une
collaboration entre l'Ecole polytechnique fédérale
de Lausanne et la firme IBM. Aujourd'hui la revue
Sciences et Avenir, dans son numéro
768 de février 2011, consacre un Dossier à
ce projet et ses perspectives, sous le titre peut-être
un peu dithyrambique de «L'incroyable défi
du projet Blue Brain».
Essayons ici de faire le point sur la question et
ses implications.
Nous
avions mentionné ce projet dès ses débuts
en 2005 tout en rappelant les réserves suscitées
non par le projet lui-même, mais par les conclusions
que ses promoteurs espéraient en tirer quant
à la connaissance du fonctionnement du cerveau
biologique en situation. Comment, concrètement,
une analyse bottom up limitée à
une part infime de l'anatomie du cerveau pouvait-elle
rendre compte du fonctionnement global d'une «machine»
comprenant 100 milliards de neurones et un nombre
infiniment plus grand de synapses et donc de connexions
potentielles? Comment par ailleurs le faire en ne
tenant pas compte des interactions du cerveau avec
le reste du corps, au plan de l'organisme global,
et en ne tenant pas compte des interactions de cet
organisme avec le reste du monde, au plan de la société
et de sa culture globale ?
Bien
sûr, on ne peut pas prétendre tenir compte
de tous les facteurs en même temps. Cependant,
ces diverses interactions imposent une adaptation
(plasticité) déterminante dans le fonctionnement
et, par conséquent, dans les connexions et
l'architecture d'un cerveau, fut-il d'un rat ou d'un
humain. Or ses conséquences ne peuvent pas
apparaître dans le cadre d'un examen anatomique
et d'une simulation fonctionnelle limités comme
c'est le cas à une infime portion de la matière
grise, c'est-à-dire pour le moment à
quelques millimètres cubes. En d'autres terme,
avec Blue Brain, nous serions avec Blue Brain à
une approche réductionniste qui, bien qu'utile
en elle-même, ne répondrait pas aux exigences
de l'approche holiste qui devrait être conduite
en parallèle(1).
Aujourd'hui
les promoteurs du projet Blue Brain vise à
le prolonger dans un projet élargi, le Human
Brain Simulation Project (HBSB) étendu
à d'autres partenaires et proposé au
financement de la Commission européenne.
Voyons d'abord l'état actuel du projet Blue
Brain, avant d'aborder de façon sommaire d'autres
projets parallèles ou concurrents.
Blue
Brain : un état des lieux
On
résumera ici les éléments présentés
par le dossier de Sciences et Avenir, qu'il
conviendra de compléter par les informations
disponibles sur le web. On se référera
au bref encadré valant présentation
du Human Brain Simulation Project (HBSP) publié
par Sciences et Avenir. Ce projet rassemblerait autour
de Blue Brain une centaine de laboratoires répartis
dans le monde entier. Admettons le chiffre, bien que
ce nombre élevé ne garantisse pas que
tous les partenaires apportent une réelle valeur
ajoutée. Le prestige d'IBM et l'espoir de participer
aux financements doit aussi jouer un rôle.
L'initiateur du projet est Henri Markram, fondateur
du Brain and Mind Institute à l'Ecole Polytechnique
fédérale de Lausanne. L'institut vise
à mieux comprendre les fonctions du cerveau
sain ou malade en associant différentes méthodes
d'analyse du comportement des neurones, y compris
la simulation sur ordinateur. Le HBSP a déposé
une demande de financement de 100 millions d'euros
sur 10 ans auprès du domaine FET de la commission
européenne, Future and Emerging Technologies.
Ce domaine est un élément essentiel
du programme Cordis de l'Union européenne consacré
au financement de la recherche scientifique et technologique
communautaire. A ce budget déjà considérable
s'ajouteraient des financements provenant de la Suisse
et de certains Etats européens.
Le
projet HBSP est ambitieux. Dans le cadre d'un objectif
très général et relativement
banal, la compréhension et la simulation du
cerveau humain, des gènes au comportement,
il s'intéresse à la réalisation
de nouveaux calculateurs imitant le cerveau, sur le
modèle des réseaux de neurones, ou à
l'implémentation dans des robots de modules
inspirés du cerveau (neurorobotique). Comme
nous l'avons indiqué, il dispose déjà,
via l'Ecole de Lausanne, d'importantes ressources
informatiques, notamment le super-ordinateur Blue
Gene d'IBM. La version acquise en 2005, Blue Gene/L
vient d'être augmentée en Blue Gene/P.
Cette machine comporte 16.000 microprocesseurs et
développe une puissance de 53.5 teraflops.
Elle n'occupe cependant que le 173 ème rang
dans le classement mondial des plus gros calculateurs.
Jusqu'à ce jour, le projet HBSP dans sa version
Blue Gene s'est focalisé sur la modélisation
informatique d'une mini-colonne de cortex de rat.
L'ambition paraît modeste, mais il faut rappeler
que le cortex, siège de l'essentiel des fonctions
neurologiques élaborées, sensorielles,
motrices et cognitives, est constitué, chez
l'homme et chez le rat, voisin de l'homme à
cet égard, d'un empilement de 6 couches de
neurones présentant des caractères différents
selon les couches. Ces neurones entretiennent des
connexions de type horizontal avec des neurones voisins
ou éloignés dans le cerveau. Mais ils
s'organisent aussi verticalement en unités
fonctionnelles appelées mini-colonnes ou colonnes
fonctionnelles. Celles-ci prennent la forme de colonnes
verticales traversant les couches horizontales du
cortex. Elles regroupent environ 10.000 neurones pour
un volume de matière grise total ne dépassant
pas 2mm3. Les neurones sont reliés
entre eux de façon arborescente par un grand
nombre de synapses, quelques milliers par neurone.
Dans le faible volume d'une mini-colonne, ceci représente
un réseau extrêmement dense de liens
possibles.
Par ailleurs, les observations portant sur le cerveau
entier, faites depuis longtemps par divers procédés
- dont depuis quelques années l'imagerie fonctionnelle
- ont montré que le cerveau, dès la
naissance, à la suite d'une programmation génétique
souvent spécifique à l'espèce,
s'organise en aires spécialisées. Dédiées
au départ à telle ou telle fonction,
ces spécialisations sont susceptibles de se
préciser ou d'évoluer au cours de la
croissance du sujet. Comment cette spécialisation
se traduit-elle au niveau très fin des mini-colonnes
? Selon les hypothèses des neurologues américains
Vernon Mourtcastle, David Hubel et Torsten Wiesel,
cités dans le dossier de S&A, elle se traduirait
par une similarité d'organisation fonctionnelle
dans les colonnes traitant de façon identique
les données sensorielles et motrices : «Il
existerait dans le cerveau de la souris, par exemple,
une colonne corticale d'architecture spécifique
commandant les fonctions liées aux moustaches ».
D'une
façon générale, les colonnes
corticales seraient spécialisées dans
des fonctions déterminées, par exemple
la reconnaissance des formes ou des sons dans les
cortex sensoriels. Le cerveau humain disposerait d'1
million de telles colonnes(2).
Associer des colonnes à des fonctions spécifiques
représente une avancée dans l'analyse.
Elle permet de préciser la localisation de
ces fonctions au sein des aires plus vastes identifiées
depuis longtemps, aires sensorielles par exemple.
Mais l'analyse ne permet pas encore de descendre,
sauf exception, au niveau du faisceau de neurones
ou du neurone isolé, afin d'identifier par
exemple le célèbre et mythique «neurone
de la grand-mère» censé ne s'activer
qu'à la vue de la grand mère.
Les
chercheurs de Blue Brain (HBSP) se sont donc attachés
à reproduire sur ordinateur une de ces colonnes,
à partir de l'observation du tissu d'un cortex
de rat, fragment prélevé dans une aire
dont la spécificité fonctionnelle a
été plus ou moins définie. Le
travail doit alors être conduit, en principe,
neurone par neurone. La tâche est considérable
puisqu'il existe environ 50 catégories de neurones
différents et un nombre infiniment plus grand,
nous l'avons rappelé, de connexions synaptiques
et de messages échangés. Par ailleurs
des éléments non neuronaux interviennent
également dans l'activité fonctionnelle.
Mais on doit quitter alors la matière grise
pour atteindre la matière blanche, avec les
cellules de la glie, (astrocytes notamment) dont il
faudrait en principe intégrer l'action dans
le modèle fonctionnel de la mini-colonne. Nous
ne savons si Blue Brain descend jusque là.
Plusieurs
méthodes différentes et ingénieuses
ont été développées pour
analyser in vivo l'anatomie et la physiologie
des échantillons de cortex biologique étudiés.
Ceci, nous l'avons dit, a été effectué
quasiment neurone par neurone. Les observations ainsi
faites ont été reportées sur
l'ordinateur. Il ne restait plus qu'à simuler
sur ce dernieri les neurones, leurs dendrites et leurs
synapses (1 milliard de synapses par colonne), ainsi
que les échanges en perpétuel remaniement
entre ces divers éléments.
On conçoit qu'il faille toute la puissance
d'un super-ordinateur pour reproduire sous forme d'équations
ne fut-ce qu'une petite partie des échanges
réels observés. Le neurobiologiste Idan
Segev qui dirige le Centre de calcul neuronal de Jérusalem
est associé au projet. Il a développé
un ensemble d'algorithmes génétiques
permettant d'obtenir le plus rapidement possible ces
équations en tenant compte de la variété
des éléments à prendre en compte
et d'un minimum de plasticité, celle qui affecte
les relations de ces cellules dans le cadre d'un fonctionnement
in vivo observé de façon obligatoirement
très limitée.
 Depuis
2007, les équipes estiment avoir réussi
à modéliser une colonne entière
de cortex de rat. L'ordinateur fournit à cet
égard des représentations en 3 D et
fausses couleurs qui donnent une bonne idée
de la complexité du tissu neuronal de l'animal.
Une grande variété d'images est désormais
disponible (voir image en
tête d'article et ci-contre).
Il
ne faut pas confondre ces images avec celles obtenues
par observation directe d'un fragment de tissu cérébral
maintenu en vie, utilisant par exemple des protéines
fluorescentes ou un marquage électro-physiologique.
Dans
l'immédiat le projet vise à étendre
la modélisation à l'ensemble du cerveau
d'un rat. La tâche paraît hors de portée,
mais les équipes comptent développer
de nouvelles techniques d'analyse in vivo et
surtout d'une automatisation plus rapide, résultant
de l'augmentation de la puissance de l'ordinateur
et de nouveaux algorithmes travaillant en simultanéité.
Une fois obtenu un cerveau global, il sera relativement
aisé d'étudier son fonctionnement à
une échelle elle-même globale, en le
soumettant à des entrées/sorties analogues
à celles que le corps vivant impose au cerveau
vivant.
La
même méthode sera appliquée à
la modélisation d'une mini-colonne du cortex
humain, puis, pourquoi pas, vers 2030, à celle
du cerveau entier. On devine que chez l'homme, les
observations in vivo ne peuvent être
conduites, aujourd'hui, qu'à partir d'échantillons
de tissu cérébral obtenus par autopsie
post mortem. Mais les techniques des neurosciences
observationnelles, de moins en moins invasives et
en plein développement, devraient permettre
d'obtenir une représentation de plus en plus
fiable des structures, non sans doute du cerveau humain
profond, mais des couches supérieures. Celles-ci
viendraient alors compléter et informer les
simulations sur ordinateur.
Des
projets parallèles ou concurrents
Le
projet Brainscales
Nous
avons évoqué la nécessité
de prendre en charge l'adaptativité permanente
du tissu cérébral, dénotant sa
plasticité. Celle-ci, maximale à la
naissance, se maintient dans une certaine mesure tout
au long de la vie. Comment en tenir compte, dans la
représentation d'une mini-colonne spécialisée,
non facilement étudiable à partir d'un
échantillon difficile à maintenir en
vie ?
Le dossier de S&A n'élude pas la question.
La parole est donnée au chercheur français
Yves Fregnac, participant au projet européen
Brainscales de l'Unic (Unité de neurosciences
intégratives et computationnelles du CNRS)
et de l'institut Kirchhoff. Ce projet, déjà
financé depuis quelques mois par le FET, vise
à développer une représentation
multi-échelle d'un cerveau aussi complet que
possible. Les chercheurs utilisent pour cela des données
provenant de l'observation biologique pour construire
un modèle computationnel du cerveau. Celui-ci
fait appel à l'architecture des réseaux
de neurones. Il est donc capable par définition
de se construire en tenant compte de l'expérience.
Brainscales est associé à Blue Brain
de l'EPFL et à un autre projet européen,
Brain-i-Nets qui explore les capacités offertes,
notamment pour simuler l'apprentissage des aires cérébrales
en utilisant de grands ensembles de réseaux
neuronaux artificiels(3).
Il existe donc une complémentarité de
principe entre les trois approches
Yves
Fregnac met cependant l'accent sur les faiblesses
intrinsèques du projet Blue Brain. Les résultats
obtenus par ce dernier ressembleraient, dit il, à
un «ersatz» de cortex, comparable au niveau
microsopique à un cortex biologique mais incapable
à un niveau plus global ou holistique de reproduire
une opération cognitive. Ses éléments
ne pourraient en effet acquérir, faute des
processus d'apprentissage adéquat, la diversité
nécessaire à la conduite d'une telle
opération. Les facteurs intrinsèques,
liés à la morphologie des neurones,
et les facteurs extrinsèques résultant
de l'adapativité découlant de l'activité
synaptique, ne sont pas séparables. C'est pourtant
à cette séparation que procède
Blue Brain.
De
plus, comme nous l'avons rappelé ci-dessus,
une mini-colonne entretient un grand nombre de relations
avec les autres parties du cerveau, provenant de l'activité
de neurones de liaisons qui ne sont pas observables
sans l'étude du comportement dynamique du cerveau
à grande échelle. Tout ces facteurs
sont déterminants pour l'étude des fonctions
cognitives. Or le modèle Blue Brain à
lui seul, construit sur le mode bottom-up,
ne pourra pas en tenir compte. Ce n'est pas le cas
des deux approches proposées par Brainscales
et Brain-i-Nets. D'où l'intérêt
de conjuguer l'ensemble, comme il est actuellement
proposé à la Commission européenne.
D'autres horizons
Mais
pour que les objectifs affichés soient tenus,
il faudrait non seulement que les financements demandés
soient obtenus, mais qu'une véritable collaboration
réunissent les chercheurs concernés,
bien qu'ils partent de bases différentes. On
ne verrait pas l'intérêt, sauf pour la
communication d'IBM, que l'Union européenne
mette "tous les oeufs dans le même panier"
au sein d'un programme pharaonique dont rien ne garantirait
qu'il fournisse les résultats promis s'il ne
s'ouvrait pas à une véritable coopération
multidisciplinaire.
Par
ailleurs, suffirait-il de s'en tenir aux collaborations
mentionnées ci-dessus ? Nous pouvons ici rappeler
l'existence de démarches et d'approches qui
pour le moment ne semblent pas à notre connaissance
véritablement prises en compte par les partenaires
associés dans le futur consortium HBSP. Contrairement
à Blue Brain qui se contraint à ne simuler
qu'une toute petite partie du cerveau, elles étudient
le fonctionnement et l'anatomie du cerveau global
en situation, pour reprendre l'expression utilisée
ci-dessus.
Les
plus importantes de ces approches concernent l'application
de l'imagerie cérébrale fonctionnelle
à la compréhension des grandes fonctions
cognitives. Nous avons précédemment
sur ce site interrogé les représentants
français éminents de cette méthode,
Stanislas Dehaene et Jean-Pierre Changeux. Hasard
heureux, la revue La Recherche donne ce même
mois de février la parole à Stanislas
Dehaene et à d'autres chercheurs qui étudient
la façon dont le cerveau se construit et se
diversifie par l'apprentissage. L'analyse peut être
menée au niveau le plus fin des neurones intéressés
par ces processus. (La Recherche, février
2011, Comment le cerveau apprend, Neurones, plasticité,
mémoire).
L'intérêt de ces études est de
n'être pas enfermées dans des limites
artificielles autres que celles résultant du
manque de moyens et de temps d'observation. Elles
peuvent s'adresser à toutes les espèces
vivantes dotées de l'équivalent d'un
système nerveux central. Elles peuvent approcher
progressivement l'ensemble des aires neuronales mobilisables
par l'ensemble des fonctions mentales. Elles peuvent
à la demande passer du détail du neurone
et de la synapse à la globalité du cerveau,
du corps et finalement du milieu culturel. Un champ
potentiel considérable d'investigations est
ainsi ouvert. Rappelons que l'activité
des neurones miroirs essentiels à la vie sociale
a pu être mise en évidence de cette façon.
On
ne manque pas de reprocher une tentation de réductionnisme
aux chercheurs faisant appel à l'imagerie fonctionnelle.
Mais les ouvertures conceptuelles apportées
par les travaux de Stanislas Dehaene ou de Lionel
Naccache, également mentionnés sur notre
site, montrent le contraire.
Nous
avons signalé par ailleurs d'autres recherches
menées principalement aux Etats-Unis, visant
à rassembler sur de vastes Atlas du cerveau
l'ensemble des observations faites sur des sujets
vivants en bonne santé ou atteints de troubles
divers et relatives au fonctionnement du cerveau,
de ses composantes et plus généralement
du système nerveux. L'intérêt
de ces méthodologies observationnelles est
de conjuguer les approches de détail et les
approches holistes. Elles ne sont pas indemnes d'a
priori conceptuels, voire politiques. On ne trouve,
en ce domaine comme dans d'autres, que ce que l'on
cherche – plus exactement, on ne trouve pas ce
que l'on ne cherche pas. Néanmoins ces globalisations
restent scientifiques car dans la mesure où
les résultats en sont largement diffusés,
sur le modèle du Human Genome Project, elles
restent en permanence susceptibles de suggérer
des expériences permettant de tester les hypothèses.
Il
s'agit notamment de l'Human Cognome Project,
approfondi aujourd'hui par le Human Connectome
Project . Au niveau le plus fin, les études
du neurone seront bientôt complétées
par celle des complexes de protéines assurant
la communication synaptiques (Post-synaptic Density
ou PSD).
Dans
un autre domaine connexe, signalons
aussi l'appel d'offres européen CHIST-ERA,
dont l'un des volets concerne les "systèmes
autonomes conscients".
Pour terminer, nous devons, particulièrement
dans ce numéro où nous leur consacrons
une large part, signaler l'apport que pourrait représenter
aux projets précédents les travaux d'Alain
Cardon et de Pierre Marchais. Ceux-ci visent à
modéliser sur des supports informatiques, à
partir du concept de systèmes massivement multi-agents
propre à l'Intelligence artificielle, non seulement
les grandes fonctions du cerveau mais la façon
dont celles-ci se traduisent sous forme de phénomènes
mentaux, normaux ou pathologiques.
Il devrait être facile de transposer les résultats
obtenus sur des modèles physiques voire à
terme biologiques reproduisant les architectures et
les échanges neuronaux, afin de tester de façon
croisée la pertinence des diverses approches.
Mais il faudrait pour cela que le programme européen
FET consacre quelques crédits à financer
les recherches d'Alain Cardon et de Pierre Marchais,
puisque ceux-ci, par éthique, ne veulent pas
s'adresser à des agences travaillant pour la
défense, telle la Darpa américaine.
Références
Le
projet Blue Brain :
http://bluebrain.epfl.ch/
Le
Human Brain Simulation Project :http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fet-proactive/docs/ie-sept10-10-markram_en.pdf
Henri
Markram : http://bluebrain.epfl.ch/page18900.html
Brain
and Mind Institute : http://bmi.epfl.ch/
Future
and Emerging Technologies : http://cordis.europa.eu/fp7/ict/programme/fet_en.html
voir aussi http://cordis.europa.eu/fp7/ict/fet-proactive/home_en.html
Unic
: http://www.unic.cnrs-gif.fr/
(lien ne fonctionnant pas le 30/01/11)
Le
projet Brainscales
: http://brainscales.kip.uni-heidelberg.de/
Le
projet Brain-i-Nets
: http://brain-i-nets.kip.uni-heidelberg.de/
Interview
de Stanislas Dehaene : http://www.automatesintelligents.com/interviews/2008/dehaene.html
Human
Cognome Project : http://en.wikipedia.org/wiki/Human_Cognome_Project
Human
Connectome Project
: http://www.humanconnectomeproject.org/, voir
aussi http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2010/111/actualite.htm#actu1
PSD
: voir http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2010/112/actualite.htm#actu13.
A
propos des travaux d'Alain Cardon, voir notre article
:
"Les «processus coactivés»
et la nouvelle maîtrise du monde :
Introduction à la lecture de l'ouvrage d'Alain
Cardon Un modèle constructible de système
psychique»
Voir aussi l'entretien avec Alain Cardon
: http://www.automatesintelligents.com/interviews/2011/interviewcardon.html
Notes
(1) Certains ont vu dans le projet
Blue Brain une opération récupérée
depuis le début par IBM qui en fait un argument
commercial puisque c'est un ordinateur IBM qui fournit
l'essentiel de la ressource utilisée dans l'opération.
Nous n'avons pas les informations nécessaires
pour préciser exactement ce qu'il en est.
(2) Ceci paraît peu. Si ces
colonnes étaient véritablement spécialisées,
et qui plus est incapables de s'adapter à de
nouvelles entrées sensorielles et motrices,
on ne voit pas comment le cerveau pourrait faire face
à ses exigences fonctionnelles, dont le nombre
nous paraît devoir dépasser le million.
(3) On notera en lisant son livre
publié sur ce site qu'Alain Cardon s'est refusé
à utiliser des réseaux de neurones formels,
dont il estime les capacités trop limitées
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