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Article. Une synapse artificielle pour une future connexion avec des neurones vivants
Jean-Paul Baquiast 06/04/2017

Image (Left) Illustration of a synapse in the brain connecting two neurons. (Right) Schematic of artificial synapse (ENODe), which functions as a transistor. It consists of two thin, flexible polymer films (black) with source, drain, and gate terminals, connected by an electrolyte of salty water that permits ions to cross. A voltage pulse applied to the “presynaptic” layer (top) alters the level of oxidation in the “postsynaptic layer” (bottom), triggering current flow between source and drain. (credit: Thomas Splettstoesser/CC and Yoeri van de Burgt et al./Nature Materials)

Nous avions mentionné dans un article précédent les études récentes concernant le rôle des dendrites dans le fonctionnement « intelligent » du cerveau. Une dendrite est le prolongement filamenteux du noyau du neurone lui permettant de communiquer avec ses voisins. Cette communication se fait par l'intermédiaire des synapses, ou boutons terminaux, qui transmettent l'influx nerveux d'une dendrite à l'autre.

Dans la mesure où l'on voudra communiquer prochainement avec des neurones, pour leur transmettre des informations produites artificiellement leur permettant de s'intégrer à d'éventuels ensembles mixtes cerveau vivant – cerveau artificiel, il sera important de réaliser des synapses artificielles jouant ce rôle d'interface.

C'est ce que viennent de réussir des chercheurs de la Stanford University et des Sandia National Laboratories. Ils ont développé une synapse artificielle fonctionnelle basé sur un nouveau memristor ou élément de mémoire artificielle (voir https://en.wikipedia.org/wiki/Memristor), conçu pour reproduire la façon dont les synapses fonctionnent dans le cerveau. Ils ont publié à ce sujet un article dans la Revue Nature Materials (Cf référence ci-dessous).

Il s'agit d'un nouveau dispositif électrochimique baptisé ENODe capable de fonctionner avec des courants de faible intensité, et sans produire de bruits parasites, comme le font les memristors actuels. Il devrait pouvoir être utilisé pour construire de véritables cerveaux artificiels, ou communiquer avec des neurones dans les systèmes nerveux vivants. L'article dans Nature en donne la description. Nous y renvoyons évidemment le lecteur.

De même que les liaisons dans le cerveau se renforcent à l'usage, il est possible de programmer cette synapse artificielle en la déchargeant et la rechargeant de façon répétitive. Après un certain nombre de ces processus, les chercheurs peuvent prédire son fonctionnement avec 1% d'erreurs.

Cette synapse artificielle, dont un seul exemplaire existe à ce jour, pourra composer un calculateur simulant le cerveau et son fonctionnement. Il serait particulièrement efficace dans les processus de reconnaissance visuelle ou vocale qui seront indispensables à la conduite des véhicules sans chauffeurs.

Un transistor actuel ou digital ne peut qu'être dans un état 0 et un état 1. La nouvelle synapse artificielle pourrait comporter 500 états. Ceci la rendra particulièrement efficace dans les calculateurs simulant le comportement des neurones. Inutile de développer ici les nombreuses perspectives de communication avec les systèmes nerveux vivants qu'ouvrira la réalisation à grande échelle de telles synapses artificielles

Abstract

A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing

The brain is capable of massively parallel information processing while consuming only ~1–100?fJ per synaptic event. Inspired by the efficiency of the brain, CMOS-based neural architectures and memristors are being developed for pattern recognition and machine learning. However, the volatility, design complexity and high supply voltages for CMOS architectures, and the stochastic and energy-costly switching of memristors complicate the path to achieve the interconnectivity, information density, and energy efficiency of the brain using either approach. Here we describe an electrochemical neuromorphic organic device (ENODe) operating with a fundamentally different mechanism from existing memristors. ENODe switches at low voltage and energy (<10?pJ for 103?µm2 devices), displays >500 distinct, non-volatile conductance states within a ~1?V range, and achieves high classification accuracy when implemented in neural network simulations. Plastic ENODes are also fabricated on flexible substrates enabling the integration of neuromorphic functionality in stretchable electronic systems. Mechanical flexibility makes ENODes compatible with three-dimensional architectures, opening a path towards extreme interconnectivity comparable to the human brain.

Références

* A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing http://www.nature.com/nmat/journal/v16/n4/full/nmat4856.html

* Sur ce sujet, voir aussi Stanford researchers create a high-performance, low-energy artificial synapse for neural network computing
http://news.stanford.edu/2017/02/20/artificial-synapse-neural-networks/