MIT : un circuit intégré imitant le fonctionnement d’une synapse du cerveau

Image provenant de http://web.mit.edu/

Le nouveau circuit intégré analogue conçu par les chercheurs de Harvard-MIT.

Le cerveau est composé d’environ 100 milliards de neurones, qui forment des synapses  avec Image provenant de http://upload.wikimedia.org/wikipedia/plusieurs autres neurones. Selon Wikipédia,

La synapse (du grec. syn = ensemble; haptein = toucher, saisir; c’est-à-dire connexion) désigne une zone de contact fonctionnelle qui s’établit entre deux neurones, ou entre un neurone et une autre cellule (cellules musculaires, récepteurs sensoriels…). Elle assure la conversion d’un potentiel d’action déclenché dans le neurone présynaptique en un signal dans la cellule postsynaptique. On estime, pour certains types cellulaires (par exemple cellule pyramidale, cellule de Purkinje…), qu’environ 40 % de la surface membranaire est couverte de synapses.

Les chercheurs rêvent depuis longtemps de concevoir un système informatique capable de reproduire la capacité qu’a le cerveau à apprendre.

Des chercheurs de la division des Sciences de la santé et des Technologies du Harvard-MIT, à Cambridge, aux États-Unis ont fait un pas majeur dans cette direction en concevant un circuit intégré (chip) imitant la façon qu’ont les neurones de s’adapter en réponse à de nouvelles informations.

Doté d’environ 400 transistors, ce circuit intégré peut simuler les activités d’une seule synapse, soit d’une seule connexion permettant l’échange d’informations entre 2 neurones. Il s’agit d’un circuit intégré analogue CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor),  VLSI (very-large-scale integration) imitant les processus neuronaux impliqués dans la mémoire et l’apprentissage. La plupart des circuits intégrés numériques fonctionne selon un mode binaire (mode « on/off). Le circuit intégré analogue conçu par les chercheurs de Harvard-MIT tient compte du gradient d’électricité circulant entre les transistors, imitant la circulation d’ions à travers les circuits d’ions des cellules.

Les activités synaptiques du cerveau dépendent de ces circuits d’ions, qui controlent les atomes chargés comme le potassium, le sodium et le calcium. Ces canaux représentent aussi la clé de 2 processus connus : les processus LTP (long-term potentiation) et LTD  (long-term depression) qui renforcent (LTP) et affaiblissent (LTD) les synapses.

L’équipe de chercheurs de Harvard-MIT planifie se servir de ces circuits intégrés pour simuler des fonctions neuronales spécifiques, comme le système visuel. Élaborée sur des systèmes informatiques numériques à grande capacité, la simulation d’un seul circuit neuronal nécessite plusieurs heures, voir plusieurs journées. Avec un système de circuits intégrés analogiques, la simulation est même plus rapide que ce que le système biologique peut faire!

Chi-Sang Poon, chercheur principal et ses collègues, ont publié un article scientifique décrivant les résultats de leurs travaux le 14 novembre 2011 dans la revue scientifique « Proceedings of the National Academy of Sciences« .

Référence

MIT/news

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