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SPAUN : le premier cerveau artificiel aux comportements humains

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Une équipe de chercheurs canadiens dirigée par Chris Eliasmith, de l’université de Waterloo (Ontario) vient de créer le premier cerveau artificiel de 2,5 millions de neurones, capable d’exécuter des tâches complexes telles que percevoir, mémoriser et écrire à l’aide de la simulation physique d’un bras humain. Les auteurs soulignent que l’utilisation de Spaun pourrait, dans un avenir proche, nous aider à mieux comprendre l’impact de certains médicaments, du vieillissement ou encore de maladies neurodégénératives sur les capacités cognitives et les comportements associés. Les résultats de cette recherche ont fait l’objet d’une publication dans le numéro du 30 novembre 2012 de la prestigieuse revue Science.

Légende de la figure: Architecture anatomique et fonctionnelle de Spaun.

(A) L'architecture anatomique révèle les structures cérébrales modélisées dans Spaun à savoir : PPC, le cortex pariétal postérieur; M1, le cortex moteur primaire; SMA, l’aire motrice supplémentaire; PM, le cortex prémoteur; VLPFC, le cortex préfrontal ventro-latéral; OFC, le cortex orbitofrontal; ACI, le cortex temporal inférieur, Str, le striatum; vstr, le striatum ventral; STN, le noyau sous-thalamique; GPe, le globus pallidus externe; GPi, le pallidum interne; SNr, la substance noire pars reticulata; SNc, la substance noire pars compacta; VTA, l'aire tegmental ventrale; V2, le cortex visuel secondaire; V4, le cortex visuel extrastrié.
(B) Architecture fonctionnelle de Spaun. Les différents éléments corticaux sont interconnectés les uns aux autres (lignes noires épaisses). Les lignes minces indiquent la communication entre le mécanisme de sélection et d'action (les ganglions de la base) et le cortex. Ce processus peut être modifié par l’activité de sous-systèmes représentés par les carrés aux bords arrondis.

Dans le cadre d’une perspective globale de la compréhension du cerveau humain et des mécanismes mentaux, bons nombres de laboratoires ont entrepris de développer des modèles informatiques imitant à la fois la complexité des circuits cérébraux ainsi que les processus cognitifs de l’Homme. Contrairement aux autres modèles proposés qui simulent des réseaux de l’ordre du milliard de neurones, Spaun (Semantic Pointer architecture Unified Network), le cerveau artificiel implémenté par l’équipe Ontarienne, possède beaucoup moins de cellules nerveuses virtuelles. Pourtant, il réussit une prouesse inégalée à ce jour.  Doté de 2,5 millions de neurones artificiels interconnectés selon l’architecture actuellement connue des aires cérébrales, Spaun est le seul modèle à grande échelle à pouvoir simuler de multiples comportements similaires à ceux des humains. Ainsi, selon son créateur, Chris Eliasmith, « c’est le premier modèle qui commence à présenter la façon avec laquelle nos cerveaux peuvent effectuer une grande diversité de tâches de manière flexible; comment celui-ci coordonne la circulation de l’information entre différentes zones pour présenter un comportement complexe ».

Spaun est capable de visualiser des images de caractères manuscrites ou dactylographiées puis de retranscrire ses réponses lors de tâches cognitives sur un écran à l’aide de son bras mécanique. Le traitement de l’information visuelle, les processus de mémorisation à court-terme, les prises de décision ainsi que le contrôle des mouvements, indispensables à la réalisation de ces tâches, sont rendus possible grâce à plusieurs sous-systèmes destinés à simuler certaines régions cérébrales, dont notamment les cortex visuel, moteur et préfrontal, les ganglions de la base et le thalamus. L’organisation hiérarchique de ces différents modules est comparable à celle de notre cerveau. Pris individuellement, ces unités sont constituées de neurones artificiels spécifiques à chacune des régions cérébrales à laquelle ils réfèrent. Ainsi, le modèle tient compte des détails physiologiques de chaque neurone, modélisant non seulement leur profil de décharges, les neurotransmetteurs utilisés mais également leurs poids synaptiques et leur mode de communication.

Les chercheurs ont soumis Spaun à huit tâches distinctes, allant de la simple reconnaissance de chiffres ou de lettres à des exercices cognitifs de haut niveau tels que des tâches de mémoire de travail séquentielle, d’apprentissage par renforcement, de traitement de la syntaxe et de résolution de petits problèmes du type test de QI. Si les facultés de Spaun pour réaliser ces tâches sont impressionnantes, il semble également reproduire les erreurs que nous faisons. De plus, il a plus d’aptitudes à se souvenir des items en début et en fin de liste que ceux du milieu. Enfin de façon semblable à l’homme, il lui est impossible de mémoriser une liste lorsque celle-ci est trop longue.

Ce modèle présente toutefois certaines limites : une lenteur dans l’exécution des requêtes, une incapacité à apprendre de nouvelles tâches et la modélisation de certaines zones cérébrales  et non de l’ensemble du cerveau. Cependant, il constitue un outil pertinent pour mieux appréhender les comportements complexes de l’Homme et ses pathologies.

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