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Photo : Blue Brain Project / EPFL © 2005 – 2017. All rights reserved
Représentation de la complexité du cerveau et des trois composantes principales qui interagissent dans le néocortex (la partie la plus développée d’un cerveau de mammifère) : les vaisseaux sanguins, les astrocytes et les neurones.
Photo : Blue Brain Project / EPFL © 2005 – 2017. All rights reserved
Vue de l’intérieur du néocortex sur la structure complexe du réseau neuronal.

Henry Markram Le projet Blue Brain
Texte: Rédaction magazine « ceo »/Photos: Alain Herzog / EPFL; Blue Brain Project / EPFL All rights reserved

Le cerveau virtuel

Comment dévoiler les secrets de notre appareil psychique et, ainsi, améliorer le traitement des affections cérébrales ? Voilà précisément ce sur quoi travaille depuis plus de dix ans le neuro­scientifique Henry Markram dans le cadre de son projet Blue Brain. Et il est convaincu que son entreprise n’aboutira pas à seul coup d’expérimentations et de théories.

« Je tiens à ce que nous comprenions le cerveau, et ce de mon vivant, pas de celui de mes petits-enfants. »

Le cerveau humain demeure l’un des secrets les mieux gardés de l’humanité. Son appa­rence extérieure évoque une masse molle gris-beige assez banale d’un poids moyen d’un bon kilo et demi chez l’adulte. Et pour­tant, ce qui se passe à l’intérieur est fascinant : plus de 100 milliards de neurones interagissent en permanence, formant des réseaux et des connexions synaptiques qu’elles modifient au gré des fonctions sollicitées – le tout en une poignée de milli­secondes. Cet organe commande toutes les fonctions physiologiques, c’est en lui que naissent les pensées et les sentiments, la conscience humaine. « Le cerveau est un réseau dynamique de réseaux qui travaille simultanément sur et entre plusieurs niveaux », explique Henry Markram. À 55 ans, ce professeur de neuroscience originaire d’Afrique du Sud est directeur du Labora­toire de neuroscience des microcircuits (LNMC) à l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Il est aussi fondateur et responsable du projet Blue Brain.

Lancé en 2005 au sein du Brain Mind Institute (Institut des Neurosciences) de l’EPFL, ce projet vise à reconstituer et simuler in silico (numériquement), mais de façon biologi­quement détaillée, le cerveau d’un rongeur et, en définitive, à obtenir le même résultat pour le cerveau humain. Pour y parvenir, ce spécialiste de la recherche sur le cerveau suit une approche toute personnelle. « Il faut une nouvelle stratégie car jamais nous ne comprendrons le cerveau en nous contentant d’expérimenter », c’est là sa conviction. Impossible de réaliser suffi­samment d’expérimentations vu le nombre incalculable de réactions qui se produisent dans le cerveau. À cela s’ajoute que les scien­tifiques, à moins d’une intervention chirur­gicale, n’ont aucun moyen d’accéder de visu dans un cerveau en fonctionnement. D’où la quasi-méconnaissance de cette organe complexe de la pensée, même au terme de décennies de recherche.

« Jamais nous ne comprendrons le cerveau en nous contentant d’expérimenter. »

Un puzzle d’un milliard de pièces

Markram mise donc sur des simulations, une stratégie appliquée avec succès dans d’autres disciplines scientifiques. À l’aide d’un superor­dinateur, lui et son équipe de scientifiques, d’ingénieurs et développeurs de logiciels, de techniciens et de chercheurs mettent au point un procédé permettant d’assimiler toutes les données et connaissances portant sur le cerveau. Ils construisent ainsi un modèle d’ordinateur avec lequel il est possible de simuler les fonctions de l’appareil psychique. Dans un premier temps, les cher­cheurs se sont concentrés sur une structure ramifiée d’à peine quelques millimètres de haut constituée de milliers de cellules nerveuses : une colonne néocorticale du tissu cérébral d’un rat. La finalité de cette entre­prise étant, à partir de ces microéléments du cerveau de l’animal, de modéliser l’ensemble de l’organe et, dans un avenir plus lointain, le cerveau humain.

Les chercheurs se servent de données et faits scientifiques sur le cerveau déjà publiés et les intègrent au modèle. Ils en tirent des règles qu’ils appliquent au calcul de la structure de l’appareil psychique ainsi que des réactions possibles des différentes neurones. Markram compare cela à un puzzle d’un milliard de pièces dont on ne connaîtrait qu’un millier. « Normalement, il est impossible de recons­tituer un tel puzzle. Mais si nous parvenons à déterminer les règles et à comprendre les dépendances entre les pièces, alors nous parviendrons à résoudre cette gigantesque énigme. »

L’échec mène à la connaissance

Markram et son équipe s’assurent du bien-fondé des règles qu’ils tirent des résultats de leurs expérimentations. Pour ce faire, ils recourent en outre aux quelque 100 000 ouvrages scientifiques publiés chaque année dans le monde. Si les règles satisfont à ce test, c’est, pour les scientifiques, la confirma­tion que les hypothèses sous-jacentes sont vérifiées. Reste qu’une issue négative est tout aussi intéressante. « Quand quelque chose ne fonctionne pas comme prévu, nous nous déplaçons le long des limites de notre savoir », ajoute Markram. « Un échec nous permet de vérifier systé­matique­ment nos hypo­thèses. Nous apprenons de nos échecs. »

C’est près d’une centaine de publications diverses qu’a publiée la direction du projet Blue Brain au cours des dix dernières années. Cette abondante création a connu un apogée avec une première ébauche de reconstitution de microtechnique néocorticale. Cette re­constitution consiste en une copie détaillée d’une infime zone du néocortex d’un rat, qui est la région la plus développée du cerveau : cette zone mesure environ 1/3 m2 et contient 31 000 neurones reliés entre eux par plus de 40 millions de connexions. Depuis, les chercheurs tra­vaillent toutefois sur des régions cérébrales plus étendues. La prochaine reconstitution numérique verra le jour à la fin 2017, celle de la zone du cerveau respon­sable des stimu­lations tactiles. Et d’ici 2023, l’équipe vise le cerveau de la souris et ses 600 régions cérébrales. Mais ce n’est pas tout : elle recons­titue d’ores et déjà en parallèle une petite partie du néocortex humain.

Le savoir reste au premier plan

C’est là précisément la vision qu’avait Henry Markram lorsqu’il a mis en chantier le projet Blue Brain en 2005. « Je tiens à ce que nous comprenions le cerveau, et ce de mon vivant, pas de celui de mes petits-enfants », dit-il. Chercher à savoir comment le cerveau façonne la perception de soi et la perception de son entourage, voilà ce qui le pousse à agir. À cela s’ajoute une forte implication per­sonnelle en tant que père d’un fils autiste. « Même le neurologue que je suis se sent impuissant », avoue-t-il. D’autant plus que, pour certaines maladies, la guérison reste encore très souvent une question de chance.

« On expérimente beaucoup. Quand ça marche, c’est l’assurance d’une franchise de plusieurs milliards, sinon il faut tout reprendre de zéro. » En l’espèce, le modèle numérique du cerveau est censé fournir des éléments de base et améliorer les expé­riences. C’est ainsi que le projet Blue Brain pourrait aider à détecter des zones du cerveau particulièrement vulnérables et à localiser celles qui comptent le plus sur le plan stratégique. « Quiconque entend traiter des affections cérébrales doit savoir comment fonctionne le cerveau », affirme-t-il. Markram espère qu’il sera possible, grâce à des simu­lations sur le modèle numérique, d’enrayer les 600 maladies cérébrales connues à ce jour.

L’intelligence artificielle en profitera

Les calculs de modélisation sont effectués par le super­ordinateur Blue Brain IV IBM BG /Q. Et la prochaine génération, encore plus performante, est imminente. Quant à savoir si de tels ordinateurs se mettront un jour à penser par eux-mêmes, cela relève selon Markram de la science-fiction, du moins pour les 100 ans à venir. En revanche, certains enseignements tirés du projet pour­raient bien profiter au quotidien d’ici-là et influer sérieusement sur le champ d’étude de l’intelligence artificielle. « Le cerveau travaille de façon beaucoup plus efficiente et rapide que les réseaux infor­matiques actuels, en consommant au demeurant nette­ment moins de données », dit-il. Ces pro­chaines années, le projet générera de nom­breuses spin-off dans le domaine de l’intelligence artificielle.

Le fait que ce projet ambitieux soit implanté en Suisse s’explique selon Markram par les bonnes conditions cadres qui lui sont offertes dans ce pays. La profession de foi du Conseil des EPF dans le projet Blue Brain et sa vision, sentiment partagé du reste par le Conseil fédéral, a été déterminante pour entamer cette recherche à long terme en Suisse. Et Markram de poursuivre : « Notre équipe est largement interdisciplinaire. Pour com­prendre le modèle dans sa globalité, ses membres doivent assimiler des connais­sances énormes dans un domaine qui leur est parfois étranger.» Leur engagement sera gratifiant pour la Suisse. « Grâce à son rôle phare dans le projet, elle sera dans une position clé lorsqu’il s’agira de mettre au point de nouveaux traitements pour le cerveau », assure-t-il. Il en attend également un effet positif sur l’informatique et les technologies de communication.

Il devrait s’écouler peu de temps d’ici-là, c’est du moins la conviction des chercheurs en neurologie. Les problèmes à maîtriser sont clairement définis : « Au terme de notre période de financement, en 2023, nous serons certainement en mesure de présenter la simulation détaillée d’un cerveau de souris, voire même un modèle de cerveau humain en basse résolution », dit Markram. Gageons que sur cette voie, son équipe et lui découvriront encore beaucoup de choses surprenantes sur le cerveau.

Henry Markram

Henry Markram (55 ans) est le fondateur du Brain Mind Institute, du projet Blue Brain et du projet Human Brain de l’UE, qui ont tous leur quartier général à l’EPFL. Ce natif d’Afrique du Sud a fait des études de médecine et de neurophysiologie au Cap. Puis il a émigré en Israël où il a décroché son doctorat à l’Institut Weizmann. Markram a rédigé son mémoire post-doctoral au National Institute for Health aux États-Unis ainsi qu’à l’Institut Max Planck de recherche médicale à Heidelberg. Il est marié et père de de cinq enfants. Son épouse et lui sont en outre actifs dans la recherche sur l’autisme et cofondateurs de Frontiers, l’une des principales maisons d’édition en libre accès pour les publications scientifiques.

Le projet Blue Brain

Le projet Blue Brain a pour but de reconstituer et simuler in silico (numériquement ), mais de façon biologiquement détaillée, le cerveau d’un rongeur et, en définitive, d’obtenir le même résultat pour le cerveau humain. Les reconstitutions et simulations de Blue Brain calculées par le super­ordinateur offrent à la science une approche inédite pour comprendre la structure multi-couche et les fonctions du cerveau.

bluebrain.epfl.ch