Examiner les conditions de travail optimales du cerveau comme modèle pour les nouveaux ordinateurs
Pour ses tâches complexes, notre cerveau doit s’adapter en permanence (« plasticité »). Plus qu’on ne le pensait auparavant, les mécanismes sous-jacents sont contrôlés non seulement par le cerveau lui-même, mais également par l’environnement extérieur. Les chercheurs du CRC 1461 le montrent à l’aide de modèles théoriques dans un réseau technique de travail similaire. Crédit : Hermann Kohlstedt
Grâce à la modélisation mathématique, une équipe de recherche a maintenant réussi à mieux comprendre comment l’état de fonctionnement optimal du cerveau humain, appelé criticité, est atteint. Leurs résultats représentent une étape importante vers un traitement de l’information d’inspiration biologique et vers de nouvelles technologies informatiques hautement efficaces et ont été publiés dans Rapports scientifiques.
« Dans certaines tâches, les superordinateurs sont meilleurs que les humains, par exemple dans le domaine de l’intelligence artificielle. Mais ils ne peuvent pas gérer la variété des tâches de la vie quotidienne – conduire une voiture d’abord, puis faire de la musique et raconter une histoire lors d’une réunion le soir, » explique Hermann Kohlstedt, professeur de nanoélectronique. De plus, les ordinateurs et les smartphones d’aujourd’hui consomment encore énormément d’énergie.
« Ce ne sont pas des technologies durables – alors que notre cerveau ne consomme que 25 watts au quotidien, » Kohlstedt continue. L’objectif de leur réseau de recherche interdisciplinaire, « Neurotronique : Voies d’information bio-inspirées, » est donc de développer de nouveaux composants électroniques pour des architectures informatiques plus économes en énergie. À cette fin, l’alliance de l’ingénierie, des sciences de la vie et des sciences naturelles étudie le fonctionnement et l’évolution du cerveau humain.
Proche du chaos : la plus grande performance est possible ici
Le traitement de l’information dans le cerveau repose sur un réseau d’environ 86 milliards de neurones. Ils transmettent des informations sous forme d’impulsions de tension via les synapses et les axones, soit simultanément, soit indépendamment les uns des autres (« synchronisation »).
Selon une thèse de neurobiologie (« l’hypothèse du cerveau critique »), notre cerveau traite l’information le plus rapidement et le plus efficacement énergétiquement lorsqu’elle est dans le « transition de phase » entre. Cet état intermédiaire, appelé « criticité, » peut également être détecté à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ou de l’électroencéphalographie (EEG).
Dans cet état hautement complexe, le cerveau peut réagir de manière particulièrement sensible et de différentes manières aux influences extérieures, c’est pourquoi il essaie toujours d’atteindre cet état. « Le cerveau est proche du chaos ici : même de petits stimuli externes provoquent soudainement le déclenchement d’ensembles entiers de neurones. Les informations se propagent comme une avalanche et peuvent donc être transmises particulièrement facilement, même à des zones du cerveau éloignées, » explique Kohlstedt. Cela permet un large éventail de réactions.
Le cerveau fonctionne plus efficacement lorsque les neurones interconnectés sont dans le « état critique » (b), la soi-disant criticité. Ce point est comparable à l’état critique dans le « transition de phase » dans un matériau magnétique (a), comme le montre le schéma simplifié. Crédit : Hermann Kohlstedt
Simulé dans un réseau artificiel
Dans leur publication actuelle, les scientifiques du CAU ont étudié comment cet état de criticité émerge dans les réseaux neuronaux et aussi artificiels. Jusqu’à présent, on supposait qu’il s’agissait d’un « criticité auto-organisée » dont seuls les mécanismes cérébraux sont responsables. « Cependant, nous avons pu montrer pour la première fois que des influences externes, c’est-à-dire l’environnement lui-même, conduisent également à ce que cet état soit «imposé» aux réseaux cérébraux, » dit le premier auteur, le Dr Petro Feketa, membre du CRC 1461 et titulaire de la chaire d’ingénierie de l’automatisation et du contrôle à la CAU.
Pour ce faire, l’équipe a appliqué une modélisation mathématique dans un réseau artificiel d’oscillateurs non linéaires. Semblables aux neurones d’un réseau de neurones, ces circuits génèrent des impulsions de tension périodiques qui peuvent également se synchroniser. De plus, les connexions entre oscillateurs peuvent changer. L’équipe de recherche a simulé la façon dont les oscillateurs se connectent au fil du temps lorsqu’ils interagissent avec l’environnement afin de résoudre les tâches aussi rapidement et efficacement que possible.
Le réseau a atteint à plusieurs reprises un état de criticité, similaire à celui du cerveau. « Ceci était particulièrement surprenant car la propriété de criticité n’était pas présente initialement et nous n’avions pas pour objectif d’y parvenir à l’origine, » dit Feketa.
Biologie évolutive : un large éventail de réactions a du sens
« Du point de vue de la biologie évolutive, ce résultat est tout à fait compréhensible. Notre environnement est si diversifié que la structure et la dynamique interne de notre cerveau ont été façonnées de telle sorte que l’état de criticité offre un maximum de solutions pour une grande variété de tâches, » déclare le professeur Thomas Meurer, responsable de la chaire d’ingénierie d’automatisation et de contrôle au CAU.
Le cerveau a donc adapté son état de criticité aux influences et aux exigences croissantes de l’environnement en constante évolution. « Pour faire simple, on pourrait dire : notre cerveau grandit avec ses tâches – encore plus que nous ne le pensions auparavant, » dit Kohlstedt.
