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L’électronique inspirée du cerveau : un neurone ionique artificiel pour les mémoires électroniques de demain

Neurone humain

L’électronique inspirée du cerveau fait l’objet d’intenses recherches. Des scientifiques du CNRS et de l’École Normale Supérieure – PSL ont théorisé comment développer des neurones artificiels en utilisant, comme cellules nerveuses, des ions pour transporter l’information. Leurs travaux, publiés dans Science le 6 août 2021, rapportent que des dispositifs constitués d’une seule couche d’ions transportant de l’eau au sein de nanoslits de graphène ont la même capacité de transmission qu’un neurone.

Pour concevoir des systèmes électroniques économes en énergie

Avec une consommation d’énergie équivalente à deux bananes par jour, le cerveau humain peut effectuer de nombreuses tâches complexes. Sa grande efficacité énergétique dépend notamment de son unité de base, le neurone. Le neurone possède une membrane avec des pores nanométriques appelés canaux ioniques, qui s’ouvrent et se ferment en fonction des stimuli reçus. Les flux ioniques qui en résultent créent notamment un courant électrique responsable de l’émission de potentiels d’action. Il s’agit de signaux qui permettent aux neurones de communiquer entre eux.

L’intelligence artificielle peut effectuer toutes ces tâches, mais au prix d’une consommation d’énergie plusieurs dizaines de milliers de fois supérieure à celle du cerveau humain. Tout l’enjeu de la recherche consiste donc à concevoir des systèmes électroniques aussi économes en énergie que le cerveau humain. Par exemple en utilisant des ions, et non des électrons, pour transporter l’information. Pour cela, la nanofluidique offre de nombreuses perspectives. Il s’agit pour mémoire de l’étude du comportement des fluides dans des canaux de moins de 100 nanomètres de large. Dans une nouvelle étude, une équipe du Laboratoire de Physique de l’ENS montre comment construire un prototype de neurone artificiel. Un neurone notamment formé de fentes de graphène extrêmement fines contenant une seule couche de molécules d’eau.

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Neurone artificiel : un travail encore théorique et expérimental

Les scientifiques ont montré que, sous l’effet d’un champ électrique, les ions de cette couche d’eau s’assemblent en amas allongés. Ils développent ainsi une propriété connue sous le nom d’effet memristor. Ces amas conservent une partie des stimuli reçus dans le passé. Pour reprendre la comparaison avec le cerveau, les fentes de graphène reproduisent les canaux ioniques, les clusters et les flux ioniques. Et, grâce à des outils théoriques et numériques, les scientifiques ont montré comment assembler ces clusters. L’objectif étant donc de reproduire le mécanisme physique d’émission des potentiels d’action, et par conséquent de transmission de l’information.

Ce travail théorique se poursuit expérimentalement au sein de l’équipe française, en collaboration avec des scientifiques de l’Université de Manchester (UK). L’objectif est maintenant de prouver expérimentalement que de tels systèmes peuvent mettre en œuvre des algorithmes d’apprentissage simples. Des apprentissages qui pourront effectivement servir de base aux mémoires électroniques de demain.

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