mercredi 30 août 2023

Human Brain Project : Sommet Final – Réalisations et Avenir de la Recherche sur le Cerveau Numérique



Le sommet Human Brain Project (HBP) s'est tenu à Marseille en mars 2023. Il s'agissait du dernier sommet du projet qui s'achève en septembre, marquant les 10 ans du plus grand projet numérique de science du cerveau en Europe. Le Human Brain Project a été l'un des plus grands projets de recherche jamais soutenus par l'Union européenne.

Ce sommet a offert un forum d'échanges interdisciplinaires stimulants et de qualité dans un large éventail de domaines, des neurosciences à l'informatique, en passant par l'ingénierie, les mathématiques et la médecine. Le Human Brain Project Summit a mis en lumière les réalisations du projet Flagship.

Le Human Brain Project (HBP) est une initiative de recherche à long terme et à grande échelle qui est à l'avant-garde de la recherche sur le cerveau numérique. Il a été lancé en 2013 pour une durée de 10 ans. Il s'agit de l'un des plus grands projets de recherche en Europe et de l'un des fleurons européens des technologies futures et émergentes (FET). Il a impliqué plus de 500 scientifiques et ingénieurs dans plus de 150 universités, hôpitaux universitaires et centres de recherche à travers l'Europe. Le financement total, y compris les contributions des partenaires, s'élève à 607 millions d'euros, dont 406 millions d'euros provenant du financement de l'UE.

Il vise à acquérir une compréhension approfondie de la structure et de la fonction complexes du cerveau humain avec une approche interdisciplinaire unique à l'interface des neurosciences et de la technologie. Les scientifiques du HBP utilisent des méthodes très avancées issues de l'informatique, de la neuro-informatique et de l'intelligence artificielle pour mener des recherches de pointe sur le cerveau. Les connaissances acquises sont traduites en nouvelles applications en médecine et en avancées technologiques. Les chercheurs du HBP abordent également les implications sociales et éthiques découlant de la recherche sur le cerveau et de ses applications.

Dans sa phase finale, d'avril 2020 à septembre 2023, le Human Brain Project se concentre sur trois domaines scientifiques principaux – les réseaux cérébraux, leur rôle dans la conscience et les réseaux de neurones artificiels – ainsi que sur l'expansion de l'infrastructure innovante EBRAINS et de ses outils et services.

Le calcul haute performance au service de la recherche

Fort de ces avancées scientifiques, le HBP a également développé l'Infrastructure de Recherche EBRAINS. Cette infrastructure met le calcul haute performance à la disposition de la communauté de recherche sur le cerveau, permettant des expériences virtuelles rendant ainsi possible l'accélération des percées.

Le sommet s'est également penché sur l'avenir de l'infrastructure EBRAINS et de la recherche sur le cerveau numérique, et a discuté d'une vision scientifique pour la prochaine décennie de recherche sur le cerveau numérique, qui contribuera à la préparation d'un partenariat européen émergent pour la santé du cerveau.


INfrastructureS Européennes de Recherche sur le Cerveau (EBRAINS)


Description

EBRAINS est une Infrastructure Numérique distribuée à l'interface des neurosciences, de l'informatique et de la technologie. Il s'agit d'un “guichet unique” offrant aux scientifiques et aux développeurs de technologies les outils et services les plus avancés pour la recherche sur le cerveau, y compris les services de données FAIR, l'atlas du cerveau de nouvelle génération, les plateformes de simulation et l'analyse basée sur l'IA des méga-données. EBRAINS catalyse les nouvelles découvertes scientifiques et les technologies et l'informatique innovantes inspirées du cerveau pour aider à mieux comprendre le cerveau humain.

Au-delà des neurosciences, il renforcera un large éventail de biomédecine et d'autres recherches, y compris les travaux sur Covid-19. Il devrait également permettre des applications numériques tournées vers l'avenir à usage industriel et médical, au bénéfice des patients et de la société.

Entré dans la feuille de route ESFRI en 2021, EBRAINS est un résultat majeur du Human Brain Project EU FET Flagship et fournira le noyau de coordination de la structure post-FET. Il est alimenté par l’Infrastructure en tant que service (IaaS) du réseau Federated Exascale pour l'intégration et l'échange de données (Fenix), lui-même un modèle pour d'autres communautés de recherche. Depuis 2019, EBRAINS est une Association internationale sans but lucratif de droit belge (AISBL), dont les membres représentent actuellement sept pays européens.

EBRAINS AISBL agit comme une plaque tournante centrale pour les IR et les services de soutien répartis dans les États membres participants qui formeront prochainement les nœuds nationaux d'EBRAINS dans le but d'intégrer les ressources “les meilleures de leur catégorie”, de créer une synergie et de s'appuyer sur les développements scientifiques et efforts nationaux.

EBRAINS est un accélérateur des ambitions européennes dans la recherche pluridisciplinaire sur le cerveau, alliant neurosciences de pointe, calcul haute performance et intelligence artificielle. Il offre aux chercheurs une vaste gamme de données cérébrales et un environnement de recherche numérique qui relie de nombreux laboratoires, centres de calcul intensif, cliniques et centres technologiques parmi les plus avancés d'Europe dans un système intégré unique.

Comment les scientifiques utilisent EBRAINS


À l'aide de technologies de balayage du cerveau, les scientifiques peuvent créer des cartes montrant le câblage du cerveau, composé de fibres de matière blanche qui relient différentes parcelles de la matière grise du cerveau. Les parcelles les plus connectées, ou hubs, sont indiquées par des points bleus et blancs.

Cartographier le cerveau humain est un objectif noble, mais plutôt mal défini. C'est comme faire une carte des États-Unis. Vous pourriez simplement montrer les frontières politiques et les emplacements des villes. Ou vous pouvez représenter des caractéristiques géographiques comme des montagnes et des rivières. Ou les voies de transport, comme les autoroutes et les voies ferrées. Vous pourriez même aller sur Google Maps jusqu'au bout et montrer l'emplacement de chaque maison individuelle.

Le cerveau possède une diversité d'échelle similaire : deux hémisphères de matière grise alambiquée, chacun avec quatre lobes régionaux, traversés par des autoroutes de fibres de matière blanche communiquant avec des milliards de cellules individuelles. Ainsi, certaines cartes cérébrales se concentrent sur le contour des zones anatomiques, d'autres suivent le câblage de la substance blanche, d'autres encore divisent la matière grise en minuscules parcelles et enregistrent leur activité au cours de différentes tâches mentales. Mais finalement, les scientifiques veulent tout cartographier. Leur but ultime est un catalogue de toutes les connexions entre toutes les cellules et régions du cerveau, une carte maîtresse connue sous le nom de connectome.

Le projet Connectome humain

En principe, le connectome humain se compose littéralement de chaque lien entre chaque cellule nerveuse, ou neurone, du cerveau. Mais une carte aussi complète est technologiquement hors de portée pour le moment. Avec une population de neurones d'environ 85 milliards, chacun entretenant des milliers de connexions, le connectome comprend un réseau incroyablement vaste, avec des centaines de billions de liens. Ainsi, chez l'homme, la recherche sur le connectome se concentre sur les liens entre les régions anatomiques du cerveau ou simplement sur de petites parcelles de tissu cérébral.


Une décennie de réussite



Depuis sa création en 2013, le HBP a apporté des avancées scientifiques impressionnantes aux neurosciences. Par exemple, il a livré l'atlas le plus détaillé à ce jour du cerveau humain, contribué à mesurer la conscience elle-même, avancé la connaissance des mécanismes neuronaux sous-jacents à la vision ainsi qu'à la mémoire, amélioré la chirurgie de l'épilepsie avec des modèles cérébraux numériques, développé un implant cérébral pour aider les aveugles à voir, ainsi que des technologies neuro-dérivées développées pour rendre les machines plus intelligentes.

Le HBP a été un pionnier dans l'utilisation du big data et du super-calcul pour simuler des fonctions complexes du cerveau, tout en les comparant aux dernières théories des neurosciences. Aujourd'hui, le HBP construit le premier jumeau numérique du cerveau humain et a apporté une contribution majeure à notre compréhension du fonctionnement du cerveau.

L'un des principaux résultats du Human Brain Project est la capacité d'adapter et de personnaliser les modèles cérébraux. Le pouvoir prédictif de ces modèles a progressivement augmenté et peut être d'un avantage majeur dans la découverte de biomarqueurs précoces pour des maladies telles que la maladie d'Alzheimer.


L'étude du Human Brain Project offre un aperçu de l'organisation des récepteurs des neurotransmetteurs

Les chercheurs du Human Brain Project et des institutions collaboratrices ont fait des progrès significatifs dans la compréhension de la distribution des récepteurs dans le cerveau. Ils ont mené une étude cartographique complète, publiée dans Nature Neuroscience en juin 2023.

L'un des principaux défis des neurosciences est de comprendre comment le cerveau peut s'adapter à un monde en évolution malgré son anatomie relativement statique. La connectivité entre les différentes zones du cerveau, à la fois structurellement et fonctionnellement, joue un rôle crucial dans ce processus. Cependant, pour bien comprendre la dynamique et les fonctions du cerveau, il faut ajouter une autre pièce du puzzle : les récepteurs.

Les récepteurs sont des molécules vitales impliquées dans la transmission des signaux dans le cerveau. Alors que la transmission d'informations dans un neurone se fait par des signaux électriques le long de l'axone, la communication entre les neurones nécessite souvent la libération de molécules de neurotransmetteurs dans l'espace extra-cellulaire, où elles se lient aux récepteurs du neurone cible.

Les chercheurs du HBP ont utilisé l'autoradiographie pour examiner la densité des récepteurs de neurotransmetteurs sur de fines coupes de cerveau in vitro. Ils ont analysé la densité de 14 types différents de récepteurs de neurotransmetteurs dans 109 zones du cortex du macaque. Ces données ont ensuite été intégrées à divers paramètres structurels dans des modèles de neuro-imagerie.


Une nouvelle cartographie des récepteurs corticaux révèle une association entre
l'organisation micro-structurale et les systèmes fonctionnels du cerveau

L'équipe de recherche a découvert deux gradients distincts d'expression des récepteurs par neurone, ce qui leur a permis de cartographier les densités de récepteurs à travers le cortex. Cette percée a mis en lumière la relation entre l'organisation moléculaire et neuronale du cortex. Les deux principaux axes de l'organisation des récepteurs se sont avérés s'aligner sur deux systèmes fonctionnels différents : les réseaux cognitifs sensoriels et les cognitifs externes-internes. Cette association inédite n'avait jamais été décrite auparavant.

Pour approfondir leur enquête, les chercheurs ont intégré les données nouvellement acquises sur les récepteurs de neurotransmetteurs à plusieurs couches d'informations anatomiques et fonctionnelles, créant un espace cortical commun dans la surface corticale de Yerkes19, un modèle de primate non humain fréquemment utilisé.

Les données générées par cette étude sont mises à la disposition d'autres neuro-scientifiques computationnels, leur permettant de créer des modèles biologiquement informés. En fait, une partie des données a déjà été utilisée dans un modèle informatique étudiant comment la dopamine influence le flux d'informations au sein du réseau de mémoire de travail fronto-pariétal.

Les efforts des chercheurs pour cartographier la distribution des récepteurs dans le cerveau ont fourni des informations précieuses sur l'organisation et la fonctionnalité du cortex. Cette avancée dans la compréhension du paysage des récepteurs du cerveau pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches et au développement de modèles informatiques plus précis, approfondissant finalement notre compréhension de l'adaptabilité et du fonctionnement du cerveau dans un monde en mutation.

Améliorer le taux de réussite chirurgicale des patients épileptiques


Les chercheurs simulent une version numérique du cerveau de chaque patient à l'aide de The Virtual Brain – un outil de calcul disponible sur EBRAINS – qui peut ensuite refléter la propagation de l'activité épileptique dans le cerveau d'un patient. Cette connaissance permet ensuite aux neurochirurgiens de cibler plus précisément les zones épileptogènes lors de la chirurgie.

Enseigner la vision et le toucher aux robots

Sur la nouvelle infrastructure de recherche EBRAINS, des neuroscientifiques cognitifs, des modélisateurs informatiques et des roboticiens travaillent désormais ensemble pour apporter un nouvel éclairage sur les mécanismes neuronaux sous-jacents, en créant des robots dont le fonctionnement interne imite le cerveau.

Pour comprendre la cognition, ils doivent explorer comment le cerveau agit en tant que partie du corps dans un environnement. Les neurosciences cognitives et la robotique ont beaucoup à gagner l'une de l'autre à cet égard. Le Human Brain Project a réuni ces communautés, et maintenant avec son infrastructure permanente, il est plus facile que jamais de collaborer.

Pour accélérer ces recherches, le robot a été recréé en simulation sur la Plateforme Neuro-robotique de l'infrastructure de recherche EBRAINS. Tous les outils de code et d'analyse des travaux sont ouverts sur EBRAINS, afin que les chercheurs puissent mener leurs propres expériences.

Complexité cérébrale et conscience

Simulation du cerveau complet, montrant différents états cérébraux et niveaux de conscience, intégrant des éléments méso- et micro-corticaux.

Si la physique explique tous les phénomènes de l'univers, et si la conscience fait partie de l'univers, alors il semble que la physique puisse expliquer la conscience. Nous avons besoin de mieux comprendre comment le cerveau crée des modèles : du monde, d'un moi dans le monde et d'un moi expérimentant subjectivement le monde.

Perception d'objet et mémoire

La compréhension des objets et des scènes implique de déterminer, à tout le moins, ce qu'il y a dans une image et où se trouvent les choses. De plus, les chercheurs veulent connaître des informations sur la scène et comment les objets qui s'y trouvent sont spatialement liés. Les paradigmes dominants traitent cela principalement comme un problème de reconnaissance de formes qui implique l'apprentissage d'une représentation d'images basée sur un filtre qui facilite le problème de détection et de classification. En revanche, les travaux sur la reconnaissance apportent souvent des connaissances 3D sur les objets de diverses manières.

La compréhension de la scène, contrairement à la reconnaissance des objets, tente d'analyser les objets dans leur contexte en ce qui concerne la structure 3D de la scène, sa disposition et les relations spatiales, fonctionnelles et sémantiques entre les objets. Les recherches dans ce domaine combinent la détection/reconnaissance d'objets avec la reconstruction 3D et le raisonnement spatial. Les scientifiques pensent que l'analyse intégrée des caractéristiques d'image de bas niveau, associée à des modèles d'objets sémantiques et 3D de haut niveau, permettra une solide compréhension de la scène dans des environnements complexes et ambigus et fournira la base d'un raisonnement plus approfondi.

Neuroprothèse visuelle intégrale Neurolight

Environnement matériel/logiciel pour 
l'expérimentation de neuroprothèses visuelles


La recherche a abouti aux premiers implants cérébraux intra-corticaux testés chez des personnes aveugles. Une rétine artificielle encode les schémas visuels des images capturées par les lunettes de caméra et les envoie sous forme de signaux neuronaux au cerveau via une prothèse implantée dans le cortex visuel, générant des perceptions visuelles utiles, telles que des formes et des lettres, chez les personnes aveugles.

L'objectif est d'aider les personnes aveugles à retrouver, même partiellement, leur vision fonctionnelle grâce à des implants cérébraux. Il en résulte que la rétine artificielle est capable de prédire le niveau d'activation des neurones ganglionnaires d'une rétine biologique lors de la perception d'images. Ce niveau d'activation neuronale est transformé en paramètres de stimulation électrique pour l'électrode implantée dans le cerveau.


Prochaines étapes


S'appuyant sur les succès du projet sur le cerveau humain, la Commission travaille actuellement avec les États membres sur une initiative plus large. Notamment, les États membres ont demandé davantage de collaborations et de coordination pour la recherche sur la santé cérébrale par le biais d'un partenariat stratégique qui renforcerait certainement la position de l'Europe sur la scène mondiale de la recherche sur le cerveau. Digital Brain Research jouera un rôle important dans le cadre d'un tel partenariat.

La prochaine décennie de recherche sur le cerveau numérique – Une vision des neurosciences à l'intersection de la technologie et de l'informatique

La recherche sur le cerveau est incontestablement entrée ces dernières années dans une nouvelle ère, portée par des avancées méthodologiques substantielles et l'intégration et la modélisation de données numériques à plusieurs échelles – des molécules à l'ensemble du système. Des avancées majeures émergent à l'intersection des neurosciences avec la technologie et l'informatique.

Cette nouvelle science du cerveau intègre une recherche fondamentale de haute qualité, une intégration systématique des données à plusieurs échelles, une nouvelle culture de collaboration à grande échelle et une traduction en applications. Une approche systématique, à l'instar du projet européen sur le cerveau humain, sera essentielle pour relever les défis médicaux et technologiques urgents de la prochaine décennie.

Les travaux ont été lancés par le Conseil des sciences et de l'infrastructure du Human Brain Project. Le manuscrit est un document vivant qui est développé plus avant dans un processus participatif. Désormais, toute la communauté de la recherche est invitée à contribuer à façonner la vision en soumettant des commentaires.

Les objectifs de ce document sont

* Développer un concept pour la prochaine décennie de recherche sur le cerveau numérique.

* En discuter avec l'ensemble de la communauté de la recherche, dans le but d'identifier des points de convergence et des objectifs communs.

* Fournir un cadre scientifique pour le développement actuel et futur d'EBRAINS.

* Informer et engager les parties prenantes, les organismes de financement et les instituts de recherche concernant les futures recherches sur le cerveau numérique.

* Identifier et traiter les principaux enjeux éthiques et sociétaux.

Bien que l'équipe ne prétende pas qu'il existe une approche "taille unique" pour aborder ces aspects, elle est convaincue que les discussions autour du thème de la recherche sur le cerveau numérique contribueront à faire progresser le domaine plus large des neurosciences.


Voir aussi…


Aucun commentaire:

Enregistrer un commentaire