
Des ingénieurs de l’Université du Massachusetts à Amherst ont développé un neurone artificiel dont l’activité électrique correspond étroitement à celle des cellules cérébrales naturelles. L’innovation s’appuie sur les recherches antérieures de l’équipe utilisant des nanofils de protéines fabriqués à partir de bactéries productrices d’électricité. Cette nouvelle approche pourrait ouvrir la voie à des ordinateurs fonctionnant avec l’efficacité des systèmes vivants et pouvant même se connecter directement aux tissus biologiques.
“Notre cerveau traite une énorme quantité de données”, explique Shuai Fu, étudiant diplômé en génie électrique et informatique à l’UMass Amherst et auteur principal de l’étude publiée dans Communications naturelles. “Mais sa consommation d’énergie est très, très faible, surtout par rapport à la quantité d’électricité nécessaire pour exécuter un modèle de langage étendu, comme ChatGPT.”
Le corps humain fonctionne avec une efficacité électrique remarquable, plus de 100 fois supérieure à celle d’un circuit informatique classique. Le cerveau contient à lui seul des milliards de neurones, des cellules spécialisées qui envoient et reçoivent des signaux électriques dans tout le corps. L’exécution d’une tâche telle que l’écriture d’une histoire n’utilise qu’environ 20 watts d’énergie dans le cerveau humain, alors qu’un grand modèle de langage peut nécessiter plus d’un mégawatt pour accomplir la même chose.
Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à concevoir des neurones artificiels pour un calcul plus économe en énergie, mais réduire leur tension pour correspondre aux niveaux biologiques constitue un obstacle majeur. “Les versions précédentes de neurones artificiels utilisaient 10 fois plus de tension – et 100 fois plus de puissance – que celle que nous avons créée”, explique Jun Yao, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l’UMass Amherst et auteur principal de l’article. Pour cette raison, les conceptions antérieures étaient beaucoup moins efficaces et ne pouvaient pas se connecter directement aux neurones vivants, sensibles à des signaux électriques plus forts.
“Les nôtres n’enregistrent que 0,1 volt, ce qui est à peu près la même chose que les neurones de notre corps”, explique Yao.
Il existe un large éventail d’applications pour le nouveau neurone de Fu et Yao, depuis la refonte des ordinateurs selon des principes bio-inspirés et bien plus efficaces, jusqu’aux appareils électroniques qui pourraient communiquer directement avec notre corps.
“Nous disposons actuellement de toutes sortes de systèmes de détection électroniques portables”, explique Yao, “mais ils sont relativement encombrants et inefficaces. Chaque fois qu’ils détectent un signal provenant de notre corps, ils doivent l’amplifier électriquement pour qu’un ordinateur puisse l’analyser. Cette étape intermédiaire d’amplification augmente à la fois la consommation d’énergie et la complexité du circuit, mais les capteurs construits avec nos neurones basse tension pourraient se passer de toute amplification. “
L’ingrédient secret du nouveau neurone de faible puissance de l’équipe est un nanofil protéique synthétisé à partir de bactéries remarquables. Geobacter sulfurreducensqui possède également le super pouvoir de produire de l’électricité. Yao, ainsi que divers collègues, ont utilisé les nanofils de protéines de la bactérie pour concevoir toute une série de dispositifs extraordinairement efficaces : un biofilm, alimenté par la sueur, qui peut alimenter les appareils électroniques personnels ; un « nez électronique » capable de détecter les maladies ; et un appareil, qui peut être construit à partir de presque n’importe quoi, qui peut récupérer lui-même l’électricité de l’air.
Cette recherche a été soutenue par le Army Research Office, la National Science Foundation des États-Unis, les National Institutes of Health et la Fondation Alfred P. Sloan.