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En guise d'introduction

17 août 2008
par Christophe Jacquemin

Un robot contrôlé
par des neurones de rat

Hybrot : robot conçu par Steve Potter, contrôlé par des neurones de ratsSur les traces de Steve Potter, pro-fesseur 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 08/05/2003).

Mutliple Electrode Arrays (MEA)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, conduisantCellules nerveuses cultivées sur un tapis d'électrodes 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..."

Le robot GrodonMais 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


Kevin WarwickCe "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.

Le robot Gordon
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.

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


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