Une start-up suisse spécialisée dans la bio-informatique a lancé une plateforme en ligne qui permet d'accéder à distance à 16 organoïdes cérébraux humains.Un organoïde neuronal ou cérébral est un tissu cultivé artificiellement, in vitro, qui ressemble à des parties du cerveau humain. Les organoïdes neuronaux sont créés en cultivant des cellules souches pluripotentes dans une culture tridimensionnelle qui peut être maintenue pendant des années.
Le cerveau est un système extrêmement complexe de tissus hétérogènes et se compose d'un ensemble diversifié de neurones et de cellules gliales. Cette complexité fait de l'étude du cerveau et de la compréhension de son fonctionnement une tâche difficile dans le domaine des neurosciences, en particulier en ce qui concerne les maladies neurodéveloppementales et neurodégénératives. La création d'un modèle neurologique in vitro a pour but d'étudier ces maladies dans un cadre mieux défini.
FinalSpark affirme que sa Neuroplatform est la première plateforme en ligne au monde permettant d'accéder à des neurones biologiques in vitro. En outre, les bioprocesseurs de ce type "consomment un million de fois moins d'énergie que les processeurs numériques traditionnels", affirme la société. Selon FinalSpark, sa Neuroplatform est capable d'apprendre et de traiter des informations et que, grâce à sa faible consommation d'énergie, elle pourrait réduire l'impact de l'informatique sur l'environnement.
Dans un récent document de recherche sur ses développements, FinalSpakr affirme que l'entraînement d'un seul LLM comme le GPT-3 nécessite environ 10 GWh, soit une consommation d'énergie environ 6 000 fois supérieure à celle qu'un citoyen européen moyen consomme en une année. Ces dépenses énergétiques pourraient être massivement réduites grâce au déploiement réussi des bioprocesseurs.
Le fonctionnement de la Neuroplatform repose actuellement sur une architecture que l'on peut qualifier de wetware, c'est-à-dire un mélange de matériel, de logiciel et de biologie. La principale innovation apportée par la Neuroplatform réside dans l'utilisation de quatre réseaux multi-électrodes (MEA) abritant le tissu vivant : des organoïdes, qui sont des masses cellulaires en 3D de tissu cérébral, interfacés par huit électrodes utilisées à la fois pour la stimulation et l'enregistrement.
FinalSpark a donné accès à sa plate-forme informatique à distance à neuf institutions afin de stimuler la recherche et le développement dans le domaine des bioprocédés. Avec la collaboration de ces institutions, elle espère créer le premier processeur vivant au monde. FinalSpark a été fondé en 2014. Bien que le wetware soit encore largement conceptuel, il y a eu un succès limité avec la construction et le prototypage, qui a agi comme une preuve de l'application réaliste du concept à l'informatique à l'avenir.
Neuro-plateforme ouverte et accessible à distance pour la recherche dans le domaine de l'informatique "wetware"
Le wetware computing et l'intelligence organoïde sont des domaines de recherche émergents à l'intersection de l'électrophysiologie et de l'intelligence artificielle. Le concept de base consiste à utiliser des neurones vivants pour effectuer des calculs, de la même manière que les réseaux neuronaux artificiels (RNA) sont utilisés aujourd'hui. Toutefois, contrairement aux RNA, où la mise à jour des tenseurs numériques (poids) peut modifier instantanément les réponses du réseau, des méthodes entièrement nouvelles doivent être mises au point pour les réseaux neuronaux utilisant des neurones biologiques.
La découverte de ces méthodes est un défi et nécessite un système capable de mener de nombreuses expériences, idéalement accessible aux chercheurs du monde entier. C'est pourquoi FinalSpark a mis au point un système matériel et logiciel qui permet de réaliser des expériences électrophysiologiques à une échelle inégalée. La Neuroplatform permet aux chercheurs de réaliser des expériences sur des organoïdes neuronaux d'une durée de vie supérieure à 100 jours.
Pour ce faire, FinalSpark a rationalisé le processus expérimental afin de produire rapidement de nouveaux organoïdes, de surveiller les potentiels d'action 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, et de fournir des stimulations électriques. Ils ont également conçu un système micro-fluidique qui permet un flux et un changement de milieu entièrement automatisés, réduisant ainsi les perturbations dues aux interventions physiques dans l'incubateur et garantissant des conditions environnementales stables.
FinalSpark commente :
Au cours des trois dernières années, la Neuroplatform a été utilisée avec plus de 1 000 organoïdes cérébraux, ce qui a permis de collecter plus de 18 téraoctets de données. Une interface de programmation d'applications (API) dédiée a été développée pour mener des recherches à distance directement via notre bibliothèque Python ou en utilisant l'informatique interactive telle que les carnets Jupyter.
Outre les opérations électrophysiologiques, notre API contrôle également les pompes, les caméras numériques et les lampes UV pour le désencerclement des molécules. Cela permet l'exécution d'expériences complexes 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, y compris des stratégies en boucle fermée et un traitement utilisant les dernières bibliothèques d'apprentissage profond ou d'apprentissage par renforcement. En outre, l'infrastructure permet une utilisation entièrement à distance.
Actuellement en 2024, le système est disponible gratuitement à des fins de recherche, et de nombreux groupes de recherche ont commencé à l'utiliser pour leurs expériences.
Outre les opérations électrophysiologiques, notre API contrôle également les pompes, les caméras numériques et les lampes UV pour le désencerclement des molécules. Cela permet l'exécution d'expériences complexes 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, y compris des stratégies en boucle fermée et un traitement utilisant les dernières bibliothèques d'apprentissage profond ou d'apprentissage par renforcement. En outre, l'infrastructure permet une utilisation entièrement à distance.
Actuellement en 2024, le système est disponible gratuitement à des fins de recherche, et de nombreux groupes de recherche ont commencé à l'utiliser pour leurs expériences.
Conclusion
La Neuroplatform est opérationnelle 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 depuis 4 ans. Au cours de cette période, les organoïdes de la MEA ont été remplacés plus de 250 fois. Si l'on considère qu'on place au moins 4 organoïdes par MEA et qu'on change tous les organoïdes simultanément, cela revient à tester plus de 1 000 organoïdes. Initialement, leur durée de vie n'était que de quelques heures, mais diverses améliorations, notamment liées à la configuration microfluidique, ont permis de prolonger cette durée jusqu'à 100 jours dans le meilleur des cas.
Il est important de noter que l'activité spontanée des organoïdes peut varier au cours de leur vie, un facteur qui doit être pris en considération lors de la réalisation des expériences. De plus, FinalSpark a observé que le courant minimum requis pour provoquer des pointes augmente au cours de la durée de vie de l'organoïde. Ce phénomène peut être lié à une augmentation de l'impédance causée par l'encapsulation gliale.
La stratégie d'enregistrement 24/7 entraîne une croissance constante de la base de données, sa taille a atteint 18 téraoctets. Ce volume comprend l'enregistrement de plus de 20 milliards de potentiels d'action individuels, chacun échantillonné à une résolution de 30 kHz pendant 3 ms. Ce vaste ensemble de données est important non seulement en raison de sa taille, mais aussi parce qu'il a été enregistré dans un environnement in vitro similaire.
Source : "Open and remotely accessible Neuroplatform for research in wetware computing" (FinalSpark)
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