Les réseaux dans l’équipe AS2N (Bordeaux)

Au sein du groupe Bioélectronique, dans l’équipe AS2N, la teneur principale était constituée des systèmes analogiques ou systèmes majoritairement analogiques. Par le passé, plusieurs puces ont été créées comme les puces Pamina ou Galway (conçues dans le cadre du projet européen FACETS), qui permettent de reproduire le comportement des neurones selon le modèle HH). Mon travail de thèse propose une nouveauté pour l’équipe AS2N, ne portant par sur un réseau de neurones analogiques mais entièrement numériques. Ce passage de l’analogique vers le numérique est expliqué par un arrière-plan historique, la communauté neuromorphique et aussi par la présence de projets requérant ce savoir-faire. En effet, l’équipe AS2N est impliquée dans 2 grands projets ayant pour finalité l’hybridation vivant/artificiel.

Le projet BRAINBOW (EU FET 2012-2015)

Ce projet est un projet européen en partenariat avec l’IIT (Istituto Italiano di Tecnologia à Gênes), l’UNIGE (Institut of Genova), le TAU (Tel- Aviv University), et le CNRS avec l’équipe Elibio (Bordeaux) et l’équipe AS2N (Bordeaux). Le but du projet Brainbow est de réaliser une preuve de concept pour la prochaine génération de neuroprothèses qui visent à restituer des fonctions perdues au niveau du système nerveux central en organisant une fusion naturelle entre le dispositif artificiel et son équivalent naturel. Ce cadre d’étude sera d’abord appliqué sur des systèmes neuronaux sains puis sur des systèmes atteints (par exemple en cas de lésion). Dans le dernier cas, nous serons en mesure de remplacer une connexion manquante ou un sous-réseau manquant en développant des modèles opératoires et un système électronique neuromorphique VLSI capable d’agir comme le composant biologique manquant afin de restaurer les fonctionnalités du cerveau (par exemple restaurer la fonction entrée-sortie originelle). Le projet BRAINBOW est découpé en 6 tâches :

1. la construction et la caractérisation de modèles innovants du cerveau en analysant les structures 2D/3D des réseaux de neurones cérébraux. En utilisant l’imagerie calcium et l’enregistrement des signaux électriques biologiques, il sera possible d’analyser dans un premier temps des structures simples pour finir sur les structures complexes du cerveau. 2. le développement d’outils d’étude de l’électrophysiologie à grande échelle et de l’analyse

des signaux biologiques multicanaux.

3. l’extraction des entrées et des sorties des fonctions du cerveau. Autrement dit, il s’agit de comprendre les dynamiques et les connexions entre différents réseaux.

4. la création d’un simulateur capable de recréer l’activité électrique des neurones composant un réseau.

1.6. CONCLUSION 23

5. l’implémentation d’un réseau de 100 neurones. Le réseau de neurones utilisera le modèle IZH et sera reconfigurable afin de pouvoir y mettre les paramètres simulées et de reproduire la fonction observée.

6. la réalisation d’une neuroprothèse bi-directionnelle, en réalisant l’expérience (à l’aide d’un prototype) de remplacer un réseau biologique par un réseau de neurones artificiels. L’équipe AS2N intervient au sein des tâches n^o4, 5 et 6 : la conception du réseau de neurones numérique. Il s’agit de créer un réseau d’au moins 100 neurones utilisant le modèle de neurone IZH. Le choix du modèle de neurone s’est porté sur le modèle IZH car il permet d’émuler toutes les familles de neurones corticales (emplacement proches de la zone d’implantation de notre neuroprothèse). Les synapses doivent être capables de reproduire les dynamiques excitatrices et inhibitrices et la plasticité à court terme.

Le projet HYRENE (ANR 2011-2014)

Ce projet est un partenariat entre le CEA (Grenoble), l’ESIEE (Paris), l’équipe Elibio (Bordeaux) et l’équipe AS2N (Bordeaux). Le but du projet est d’associer la colonne vertébrale d’une souris avec un réseau de neurones artificiels, dans le but de restaurer la fonctionnalité de la colonne vertébrale sectionnée. Ce projet est divisé en 4 tâches :

1. le repérage des racines dans la moelle épinière, à l’origine de la marche chez l’être vivant. 2. la création d’une fourchette adaptée à la stimulation.

3. l’analyse des signaux électriques provenant de la moelle épinière.

4. la création d’un réseau de neurones capable d’émuler l’activité d’un CPG (Central Pattern Generator).

Le cahier des charges ici est de créer un réseau de neurones capable d’avoir une activité électrique similaire à celles observées dans les CPGs.

Les projets BRAINBOW et HYRENE impliquent tous deux l’implémentation d’un réseau de neurones numérique au sein d’une plateforme munie d’un FPGA, appelée MULTIMED. Embarquée sur cette plateforme se trouve une chaîne de calculs et de traitements permettant d’analyser les signaux biologiques provenant des MEAs afin de détecter la présence de potentiels d’action ou de bouffées de potentiels d’action.

MULTIMED peut intégrer un stimulateur multi-fonction (Shiva) (Kolbl, 2014) pouvant recevoir des ordres numériques pour calibrer une stimulation en courant appropriée. Entre la chaîne de calcul et la stimulation, se situe le réseau de neurones numérique élaboré durant cette thèse. Au vu des blocs de traitement embarqués, ce réseau de neurones doit utiliser le moins de ressources possibles tout en décrivant une grande variété de familles de neurones.

1.6 Conclusion

Nous avons présenté, dans ce chapitre, les notions élémentaires des neurosciences, en partant de la biologie pour arriver au modèle d’Hodgkin-Huxley, qui est le premier modèle à avoir reproduit la finesse physiologique des courants ioniques dans la genèse de potentiels d’action.

Puis nous avons décrit des modèles plus facilement implémentables numériquement tels que le modèle d’Izhikevich, qui est un bon compromis entre le réalisme biologique et le coût d’implémentation (Figure1.7).

Ce manuscrit présentera dans sa dernière partie les bases pour la création d’un protocole universel permettant de relier différentes plateformes neuromorphiques hétérogènes. En attendant, nous nous proposons de nous intéresser dans le chapitre suivant à l’implémentation du modèle d’Izhikevich dans une plateforme FPGA.

elle à ses interlocuteurs. Un savant dans son laboratoire n’est pas seule-ment un technicien : c’est aussi un en-fant placé en face des phénomènes na-turels qui l’impressionnent comme un conte de fées. Nous ne devons pas lais-ser croire que tout progrès scientifique se réduit à des mécanismes, des ma-chines, des engrenages, qui, d’ailleurs, ont aussi leur beauté propre."

E. Curie, Madame Curie, p. 465, Edi-tion Gallimard, 1938

CHAPITRE 2