Le bit, l’unité d’information qui sous-tend notre univers numérique, pourrait être stocké et traité par de la matière organique, en l’occurrence de véritables neurones. C’est l’ambition de Finalspark. Implantée à Vevey, près de Lausanne. Cette deeptech suisse a déjà annoncé en février 2023 la réalisation de son premier bit biologique, fondement de l’IA biologique ou « bio-informatique » – à ne pas confondre avec la discipline du même nom qui fait appel à des techniques informatiques et algorithmiques avancées pour résoudre des problèmes biologiques.
« Cette année, on espère concevoir un petit circuit XOR (OU exclusif, une fonction de logique combinatoire commune en électronique, ndlr) », informe Frédéric Jordan, PDG et cofondateur de Finalspark avec Martin Kutter, deux docteurs en traitement du signal diplômés de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Ce sont également les créateurs d’Alpvision, entreprise spécialisée dans la lutte technologique contre les contrefaçons.
Des réseaux de neurones aux neurones biologiques
Finalspark, née en 2014, projette avant tout de réduire drastiquement la consommation énergétique de l’informatique actuelle. « A nos débuts, nous avions une approche orthogonale à l’état de l’art en concevant des réseaux de neurones beaucoup plus sophistiqués que la norme pour réussir le test de Turing, raconte Frédéric Jordan. Mais, pour simuler quelques milliers de neurones, il fallait des kilowatts d'électricité et encore le double pour le refroidissement. »
Le cerveau humain et ses 100 milliards de neurones ne réclament qu’une vingtaine de watts. Ce sera le nouveau modèle de Finalspark. « C’était beaucoup plus radical d’aller vers la biologie, poursuit Frédéric Jordan, mais on l’a fait. On s’est formé et on s’est spécialisé en électrophysiologie. En 2018, un incubateur de start-up de la région nous a permis d’utiliser son matériel. Un an plus tard, on a créé notre propre labo. »
Les neurosphères, agglomérats de 10000 neurones
Le site web de la deeptech donne un aperçu en « live » de ses bio-processeurs. Ceux-ci, au nombre de 16 en ce mois de janvier 2024, sont répartis en quatre groupes. Chaque bio-processeur, baignant dans son milieu de culture, est constitué d’une neurosphère, l’équivalent de quelque 10 000 neurones agglomérés dans une sphère d’un demi-millimètre de diamètre.
Le procédé de « fabrication » employé par Finalspark est classique, selon Frédéric Jordan. Il commence par l’usage de neuroprogéniteurs, issus de cellules souches pluripotentes induites. Un processus chimique stoppe leur expansion puis les différencie en neurones et en cellules gliales. Vient ensuite le procédé d’agitation orbitale qui forme les neurosphères.
Même si ces neurosphères sont une première étape vers un organoïde cérébral, elles ne ressemblent en rien à un « bout » de cerveau, du fait de leur structure très uniforme. Leur atout, outre l’efficacité énergétique, réside dans la complexité des neurones et de leurs interconnexions, d’après Frédéric Jordan : « Un ingénieur tend à simplifier au maximum les choses et on est d’accord avec cela. Mais aujourd’hui, les êtres humains sont les seuls capables de penser. Donc, on peut adopter une vision plus conservatrice et maintenir cette complexité pour obtenir des performances cognitives supérieures à ce qui est fait avec le numérique. »
Finalspark mise enfin sur les capacités d’apprentissage intégrées des systèmes biologiques. « Malheureusement, elles sont en partie comprises et en partie incomprises, constate Frédéric Jordan. Le cœur de nos travaux est de reproduire in vitro les capacités d’apprentissage qui existent in vivo. Le défi à résoudre pour concevoir un bioprocesseur, c’est de réussir à traiter du signal, donc des informations, par des neurones biologiques. »
Stimulation et détection du potentiel d'action
Dans le dispositif mis au point par la deeptech, un réseau d’électrodes en platine sert à envoyer un stimulus électrique aux neurosphères, de l’ordre du micro-ampère, et à détecter leur potentiel d’action, c’est-à-dire l’influx nerveux transmis par les neurones. Ces excitations modifient les connexions synaptiques reliant les neurones.
Après avoir mesuré un comportement spontané du bio-processeur à un certain signal électrique, par exemple une réponse de dix impulsions à un stimulus, l’idée est de parvenir à modifier ce comportement – en passant par exemple à une réponse de cent impulsions – pour le même stimulus. Ce qui revient à programmer un comportement.
Cette plateforme de bio-informatique, utilisable à distance, est à disposition des scientifiques du monde entier. Frédéric Jordan fait mention de groupes de recherche appartenant à des universités à Berlin, sur la Côte d’Azur, à Exeter ou encore dans le Michigan. Des interfaces de programmation (API) permettent de régler les caractéristiques du signal électrique transmis aux neurosphères.
Finalspark a montré, il y a presque un an, qu’il était possible de lire deux informations distinctes, correspondant à un 0 ou un 1 en langage binaire, à partir d’une stimulation électrique identique. Une méthode semblable à la lecture de l’état d’une mémoire numérique.
La deeptech a engrangé de grandes quantités de données pour entrainer un algorithme d’apprentissage automatique, capable d’interpréter les résultats fournis par ses bio-processeurs.
Un bio-processeur opérationnel dans dix ans ?
« Cet algorithme est adaptatif pour prendre en compte le positionnement des électrodes, le signal renvoyé par la neurosphère, le changement de comportement de ces organismes vivants au cours du temps, etc., explique Frédéric Jordan. Le but est que les résultats soient reproductibles sur d’autres bio-processeurs, conçus par Finalspark ou un tiers. »
Deux autres sociétés participent à ce secteur encore embryonnaire. Le californien Koniku, remarqué en 2016 grâce à la conception d’une puce composée de neurones, s’est ensuite orienté vers l'olfaction bio-électronique, à base de cellules nerveuses génétiquement modifiées. Il se montre peu actif en ce moment.
L’australien Cortical Labs semble quant à lui très avancé sur le sujet, avec la démonstration en 2022 d’un système de neurones biologiques capable de jouer au jeu Pong.
Il s’agit dans tous les cas de recherche fondamentale. Finalspark s’est fixé comme objectif de livrer un bio-processeur opérationnel dans le cloud dans cinq à dix ans. La feuille de route paraît optimiste, à entendre l’analogie de Frédéric Jordan : « On en est au stade de l’ordinateur quantique il y a vingt ans. »
