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Theodore Berger et les implants mémoire Vers des neuroprothèses ?

Theodore Berger participe au projet BRAIN, et échange régulièrement avec les scientifiques membres de Carboncopies.org, association transhumaniste "émulationniste". Dans cet interview publié en avril 2013, il évoque son domaine, les neuroprothèses.

Publié le 17 décembre 2013, par | Suivez-nous sur les réseaux sociaux :

Theodore Berger participe au projet BRAIN, et échange régulièrement avec les scientifiques membres de Carboncopies.org, association transhumaniste « émulationniste ». Dans cet interview publié en avril 2013, il évoque son domaine, les neuroprothèses. Il s’agit pour le moment d’émulations localisées et limitées.

MIT Technology Review – article original


Theodore Berger, ingénieur biomédical et neuroscientifique à l’ Université de Californie du Sud à Los Angeles, envisage qu’un patient atteint de perte de mémoire grave puisse obtenir l’aide d’un implant électronique, dans un avenir proche. Chez les personnes dont le cerveau a subi des dommages dûs à la maladie d’Alzheimer, à un accident vasculaire cérébral ou à une blessure, la perturbation des réseaux neuronaux empêche souvent la formation des souvenirs à long terme. Depuis plus de deux décennies, Berger conçoit des puces de silicium pour imiter le traitement du signal que ces neurones font quand ils fonctionnent correctement, ce qui nous permet de mémoriser des expériences et informations plus d’une minute. En fin de compte, Berger veut rétablir la possibilité de créer des souvenirs à long terme par l’implantation de puces de ce type dans le cerveau.

L’idée est si audacieuse et si loin du courant dominant de recherche en neurosciences que beaucoup de ses collègues, dit Berger, le croient fou. « Ils m’ont dit que j’étais cinglé il y a un bout de temps déjà » dit-il dans un rire, assis dans une salle de conférence attenante à l’un de ses laboratoires. Mais étant donné le succès de récentes expériences menées par son groupe et plusieurs proches collaborateurs, Berger passe doucement du rôle de marginal à celui de pionnier visionnaire.

Berger et ses partenaires de recherche doivent encore procéder à des essais humains de leurs prothèses neurales, mais leurs expériences montrent comment une puce de silicium externe connectée à des cerveaux de rat et de singe par des électrodes peut traiter l’information comme des neurones réels. « Nous ne pouvons pas ramener des souvenirs perdus », dit-il. « Nous restaurons la capacité de mémorisation de nouveaux souvenirs ». Dans une impressionnante expérience publiée l’automne dernier, Berger et ses collègues ont démontré qu’ils pouvaient aussi aider les singes à récupérer des souvenirs à long terme d’une partie du cerveau qui les stocke.

Si un implant de mémoire semble un concept tiré par les cheveux, Berger rappelle d’autres succès récents en neuroprothèses. Les implants cochléaires aident maintenant plus de 200 000 personnes sourdes à entendre en convertissant le son en signaux électriques envoyés au nerf auditif. D’autres expériences ont montré que des électrodes implantées peuvent permettre à des personnes paralysées de déplacer des bras robotiques avec leur pensée. D’autres chercheurs ont commencé à avoir quelques premiers résultats avec des rétines artificielles pour les personnes atteintes de cécité acquise.

Pourtant, la restauration d’une forme de cognition dans le cerveau est beaucoup plus difficile que n’importe laquelle de ces réalisations. Berger a passé la majeure partie des 35 dernières années à essayer de comprendre des questions fondamentales sur le comportement des neurones dans l’hippocampe, une partie du cerveau connue pour être impliquée dans la formation de la mémoire. « C’est très clair, dit-il. L’hippocampe transforme la mémoire à court terme en mémoire à long terme. »

Ce qui a été tout sauf clair, c’est la façon dont l’hippocampe accomplit cet exploit complexe. Berger a développé des théorèmes mathématiques qui décrivent comment les signaux électriques se déplacent dans les neurones de l’hippocampe pour former une mémoire à long terme, et il a prouvé que ses équations correspondent à la réalité.  » Vous n’avez pas à faire tout ce que fait le cerveau , mais pouvez-vous imiter au moins une partie des choses que le vrai cerveau fait? » demande-t-il. « Pouvez-vous modéliser cela et le mettre dans un appareil ? Pouvez-vous faire que ce dispositif marche dans n’importe quel cerveau ? Ce sont ces trois choses qui poussent les gens à penser que je suis fou. Ils pensent simplement que c’est trop dur. »

Berger parle souvent en phrases longues comme des paragraphes, en multipliant apartés, notes en bas de pages et détours. Je lui demande de définir la mémoire. « Il s’agit d’une série d’impulsions électriques dans le temps, qui sont générées par un nombre donné de neurones » dit-il. « C’est important parce que vous pouvez la réduire à cela et la remettre dans un cadre. Et non seulement vous pouvez la comprendre en termes de phénomènes biologiques qui se sont produits, mais vous pouvez aussi la cibler, traiter avec elle, brancher une électrode dessus, et vous pouvez enregistrer quelque chose qui correspond à votre définition d’un souvenir. Vous pouvez trouver les 2147 neurones qui font partie de ce souvenir. Et que produisent -ils ? Ils génèrent une série d’impulsions. Ce n’est pas bizarre. C’est quelque chose que vous pouvez manipuler. C’est utile, c’est ce qui se passe. »

C’est le point de vue conventionnel de la mémoire, qui ne fait qu’effleurer la surface. Et à la frustration perpétuelle de Berger, de nombreux collègues qui sondent ce mystérieux royaume du cerveau n’ont pas tenté d’aller beaucoup plus loin. Les neuroscientifiques suivent des signaux électriques dans le cerveau par le biais des potentiels d’action, les changements de microvolts sur les surfaces de neurones. Mais trop souvent, dit Berger, leurs rapports simplifient ce qui est réellement en cours. « Ils trouvent un événement important dans l’environnement et comptent des potentiels d’action » dit-il. « Ils disent : « En faisant ça, ça passe de 1 à 200. J’ai trouvé quelque chose d’intéressant. « Qu’est-ce que vous avez trouvé ? ». « L’activité a augmenté. » « Mais qu’est-ce que vous trouvez ? « L’activité a augmenté. » « Et alors? Est-ce que cela code quelque chose ? Est-ce que cela représente quelque chose pour le neurone voisin ? Est-ce que cela fait agir les autres neurones différemment ? C’est ce que nous sommes censés faire : expliquer les choses , pas seulement les décrire ».

Berger prend un marqueur et remplit un tableau, de haut en bas, de cercles alignés qui représentent les neurones. Chacun d’eux a une petit barre horizontale striée de signaux, formant des motifs différents. « C’est vous dans mon cerveau. Mon hippocampe a déjà formé une mémoire à long terme de vous. Je me souviendrai de vous la semaine prochaine. Mais comment puis-je vous distinguer d’une autre personne ? Disons qu’il y a 500 000 cellules qui vous représentent dans l’hippocampe, chacune codant différentes choses – comme la position de votre nez par rapport à votre sourcil – qu’elles codent avec des motifs différents. La réalité du système nerveux est très complexe, et c’est pourquoi nous en sommes toujours à nous poser ces questions restreintes et fondamentales ».

Theodore Berger a passé sa carrière à essayer de comprendre comment les neurones forment les souvenirs. A l’université de Harvard, le mentor de Berger était Richard Thompson, qui étudiait les changements localisés, induits par apprentissage, dans le cerveau. Thompson utilisait un signal sonore et un soufflet pour conditionner des lapins à cligner des yeux, dans l’optique de déterminer où le souvenir créé était stocké. L’idée était de trouver l’endroit spécifique du cerveau où l’apprentissage était localisé. « Si l’animal apprenait effectivement, puis que vous supprimiez cet endroit, alors l’animal ne pouvait plus se souvenir ».

Thompson, avec l’aide de Berger, réussit l’expérience et publia les résultats en 1976. Pour localiser le souvenir, ils équipèrent les lapins d’électrodes chargées de surveiller l’activité d’un neurone. Les neurones ont des « portes » sur leurs membranes, qui laissent entrer et sortir les particules chargées électriquement, comme le sodium ou le potassium. Thompson et Berger recensèrent les pics électriques repérés dans l’hippocampe au fur et à mesure que les lapins développaient un souvenir. L’amplitude des pics (représentant le potentiel d’action) et leur espacement formaient des motifs. Cela ne doit pas être un hasard, pensa Berger, si les cellules déchargent de façon à former des motifs dans le temps.

Cela le mena à une question centrale, qui sous-tend son travail actuel : comme les cellules reçoivent et envoient des signaux électriques, quel motif décrit la relation quantitative  entre les flux entrants et sortants ? C’est-à-dire, si un neurone décharge à un moment et un endroit donnés, que font les neurones voisins en réponse ? La réponse pourrait révéler le code qu’utilisent les neurones pour former la mémoire à long terme.

Mais il devint vite clair que la réponse était extrêmement complexe. A la fin des années 80, Berger, qui travaillait à l’université de Pittsburgh avec Robert Sclabassi, devint fasciné par une certaine propriété du réseau neuronal dans l’hippocampe. Quand ils simulaient l’hippocampe d’un lapin avec des impulsions électriques (input) et retraçaient le parcours des signaux dans différentes populations de neurones (output), la relation qu’ils observaient entre les deux n’était pas linéaire. « Mettons que vous entrez 1 et obtenez 2 », explique Berger. « C’est assez facile. C’est une relation linéaire ». Il s’avère, cependant, qu’il n’y a « pratiquement aucune situation ​​dans le cerveau pour laquelle vous obtenez une activité linéaire, une somme linéaire », dit-il. « C’est toujours non linéaire. » Les signaux se chevauchent, certains ignorant une impulsion entrante, d’autres l’accentuant.

Au début des années 90, ses travaux – et le matériel informatique – avaient progressé au point d’offrir la possibilité d’une collaboration avec ses collègues du département d’ingénierie de l’Université de Californie du Sud, pour réaliser des puces informatiques imitant le traitement du signal effectué dans certaines parties de l’hippocampe. « Il est devenu évident que si je pouvais faire en sorte de faire marcher tout ça à grande échelle sur un support matériel, on obtenait une partie du cerveau ». « Pourquoi ne pas raccorder ça au cerveau existant ? Alors j’ai commencé à réfléchir sérieusement à des prothèses, bien longtemps avant que cela ne soit même évoqué ailleurs ».

Berger commença à travailler avec Vasilis Marmarelis, un ingénieur biomédical à l’USC, sur une prothèse de cerveau (voir ici). Ils commencèrent par traiter des tranches d’hippocampe de rats. Conscients que les signaux neuronaux se déplacent d’un bout à l’autre de l’hippocampe, les chercheurs envoyèrent des impulsions aléatoires vers l’hippocampe, enregistrèrent les signaux en différents endroits pour voir où ils étaient transformés, et dérivèrent des équations mathématiques décrivant ces transformations. Puis ils implémentèrent ces équations dans des puces d’ordinateur.

Ensuite, pour pouvoir dire si de telles puces pouvaient servir comme prothèses en remplacement d’une région abimée de l’hippocampe, les deux hommes cherchèrent à contourner un composant central du parcours au sein des tranches de cerveau. Des électrodes placées dans la région transmettaient les signaux électriques à une puce externe, qui effectuait les transformations habituellement faites dans l’hippocampe. D’autres électrodes renvoyaient enfin les signaux transformés vers la tranche en question.

Puis les chercheurs firent un bond en avant en essayant tout cela sur des rats vivants, démontrant qu’un ordinateur pouvait réellement servir de composant artificiel de l’hippocampe. Ils commencèrent en entraînant les animaux à pousser l’un des deux leviers d’une installation pour obtenir une récompense, en enregistrant la série d’impulsions dans l’hippocampe si les rats choisissaient le bon. A partir de ces données, Berger et son équipe modélisèrent la façon dont les signaux étaient transformés quand la leçon était convertie en mémoire à long terme, et ils capturèrent le code censé représenter le souvenir lui-même. Ils prouvèrent que leur appareil pouvait générer ce souvenir à long terme tandis que les rats étaient en train d’apprendre. Puis ils donnèrent aux rats une drogue interférant avec leur mémoire à long terme, faisant oublier à ceux-ci quel levier apportait la récompense. Il suffisait ensuite d’envoyer les impulsions codées vers les cerveaux des rats drogués pour voir réapparaître la capacité à choisir le bon levier.

L’année dernière, les scientifiques publièrent des expériences menées sur des primates impliquant le cortex préfrontal, une partie du cerveau qui récupère les mémoires à long terme créées par l’hippocampe. Ils placèrent des électrodes dans les cerveaux des singes pour capturer le code, formé dans le cortex préfrontal, dont ils pensaient qu’il permettait aux animaux de se souvenir d’une image montrée peu avant. Puis ils leur donnèrent de la cocaïne, qui entrave le fonctionnement de cette partie du cerveau. En utilisant les électrodes implantées pour envoyer le bon code au cortex, les chercheurs améliorèrent significativement la performance des singes dans l’identification des images.

Dans les deux prochaines années, Berger et ses collègues espèrent implanter une véritable prothèse mémorielle à des animaux. Ils veulent aussi montrer que leurs puces-hippocampes forment des souvenirs pour de nombreux comportements. Ces puces, après tout, se basent sur des équations mathématiques dérivées des expériences choisies par les chercheurs. Il se pourrait que ceux-ci n’aient trouvé que les codes associés à ces tâches spécifiques. Et si ces codes n’étaient pas généralisables, que les différents inputs étaient transformés de manière très variée ? Autrement dit, il est possible que qu’ils n’aient pas déchiffré le code, mais simplement quelques messages simples.

Berger admet que cela pourrait être le cas, et que ses puces pourraient ne former de souvenirs à long terme que pour un nombre limité de situations. Mais il note que la morphologie et la biophysique du cerveau restreignent ce que celui-ci peut faire : en pratique, le nombre de transformations qu’un signal peut subir dans l’hippocampe est limité, quoique important. « Je pense réellement que nous nous dirigeons vers un modèle satisfaisant pour de nombreuses situations, peut-être même pour la plupart des situations. Le but est d’améliorer la qualité de vie de quelqu’un qui a un déficit de mémoire sévère. Si je peux lui donner la capacité de former des souvenirs à long terme pour la moitié des situations rencontrées par la plupart des gens, je serai sacrément heureux, et la plupart des patients aussi ».

Malgré les incertitudes, Berger et ses collègues prévoient des études avec des humains. Il collabore avec des praticiens qui testent l’utilisation d’électrodes implantées de chaque côté de l’hippocampe pour détecter et prévenir des attaques chez des patients atteints d’épilepsie sévère. Si le projet avance comme prévu, le groupe de Berger profitera de l’occasion pour rechercher les codes des souvenirs dans les cerveaux de ces patients.

« Je n’aurais jamais pensé que je verrai cela pour des humains, et maintenant nos discussions tournent autour de quand et comment. Je n’aurais jamais pensé vivre assez longtemps pour voir ça, mais maintenant je pense que ce sera le cas ».

Jon Cohen, 23 avril 2013
traduction EmG

NB [ndlr] : sur le même sujet, vient de paraître un article du Monde qui relate comment l’étape des prothèses mémorielles est déjà atteinte :

LeMonde.fr, 15/12/2013, Pierre Barthélémy, Passeur de science « Une prothèse dans le cerveau pour doper la mémoire« .

Adhérer ? Porte-parole de l’Association Française Transhumaniste : Technoprog, chercheur affilié à l’Institute for Ethics and Emerging Technologies (IEET). En savoir plus

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