Chapitre I: Généralités sur les matériaux organiques et quelques applications
I.4. Applications Neuromorphiques
I.4.3 Les réseaux de neurones impulsionnels
I.4.3.1 Structure du neurone biologique
Les cellules nerveuses ou neurones biologiques sont les éléments de base du système nerveux, assurant le traitement de l’information par la transmission de signaux bioélectriques appelés influx nerveux. Le cerveau humain contient entre 1010 et 1011 neurones biologiques
interconnectés. La structure d’un neurone biologique est illustrée par la figure I.21 [73] :
1 . n i ij j i j Z w x b
1 0 0 0 si Z si Z Figure I. 21 Structure du neurone biologique [73].
Le neurone est composé principalement de quatre éléments :
Le corps cellulaire : Il comporte le noyau du neurone appelé aussi la machine biochimique assurant la synthèse de certaines molécules et enzymes responsables à la vie du neurone.
Les dendrites : Ce sont des récepteurs qui reçoivent les signaux qui leur parviennent puis les envoient au corps du neurone.
L’axone : Il assure la transmission des signaux provenant du corps cellulaire aux autres neurones par l’intermédiaire des dendrites avec lesquels il fait une jonction.
Les synapses : Ils jouent le rôle final de transfert des signaux en assurant la communication entre les différents neurones. Il s’agit de multiples liaisons entre l’axone d’un neurone et les dendrites d’autres neurones.
Une des propriétés fascinantes du cerveau humain est la capacité d’évoluer en permanence et de s’adapter à un changement de l’environnement extérieur. Cette capacité à évoluer dans le temps, appelée plasticité, est principalement assurée au niveau des connexions entre les neurones (les synapses). Donc, si on veut comprendre la capacité du cerveau à se développer et les mécanismes intervenant dans la modification de la transmission synaptique au cours du temps, il est nécessaire d’étudier les règles qui régissent la plasticité synaptique.
I.4.3.2 Synapse biologique
Le rôle de la synapse est de pondérer la force de connexion de l’entrée d’un neurone. L’ajustement des poids synaptiques alerte le comportement du réseau [74]. Les informations sont transmises par voie chimique par l’intermédiaire de molécules appelées neurotransmetteurs.
Figure I. 22 Structure de la synapse biologique [73]
La transmission synaptique est un processus complexe qui commence par la libération de neurotransmetteurs de la terminaison présynaptique. En effet, l’influx nerveux qui se propage sous forme électrique par un potentiel d’action se transforme en un signal chimique au niveau de la synapse (figure I.16). Des ions Ca2+ se propagent à l’intérieur de la synapse et provoquent la
libération de neurotransmetteurs à travers des fentes. Ces derniers diffusent donc à travers ces ouvertures et se lient à des sites récepteurs ioniques bien spécifiques au niveau neurone post- synaptique, ce qui les amène à s’ouvrir et permettent aux ions Na+ de diffuser à l’intérieur de la
cellule. Ceci provoque une série de réactions chimiques et conduit à un potentiel d’action post- synaptique inhibiteur ou excitateur [75]. Cette activité générée par les neurones et transmise à travers les synapses est responsable des flux d’informations et des traitements derrière les calculs complexes effectués par le cerveau.
I.4.3.3 Plasticité Synaptique à Court Terme "STP"
La caractéristique la plus importante d’une synapse, est sa capacité à transmettre un potentiel d’action (PA) d’un neurone présynaptique N1 vers un neurone post-synaptique N2. Le comportement synaptique détermine la façon dont les informations sont traitées. La synapse transforme une impulsion qui arrive à un neurone présynaptique en un déchargement chimique de neurotransmetteurs détectés par le neurone post-synaptique et qui sera transformée en une nouvelle impulsion [76].
Figure I. 23 Mesure STP d’une synapse biologique [77].
La réponse d’une synapse à un train d’impulsions dépend de l’intervalle de temps entre les impulsions successives qui déterminent la quantité de neurotransmetteurs (NTs) disponibles. Selon la nature de la synapse, la réponse à un train d’impulsions de fréquence constante peut-être soit dépressive ou facilitatrice.
En revanche, la synapse biologique peut traiter les informations dynamiques lorsque la fréquence du train d’impulsions change (figure I.23). Dans le cas d’une synapse dépressive, un comportement de dépression est obtenu pour un train d’impulsions à fréquence élevée ce qui se traduit par une diminution des NTs en raison des faibles recouvrements entre chaque impulsion. Par contre, la réponse de la synapse augmente (comportement facilitateur), dans le cas d’une faible fréquence, car les NTs disposent d’un temps suffisant pour se rétablir).
Cette propriété a été largement étudiée dans les synapses biologiques et elle est appelée plasticité à court terme (STP) [76]. Ce comportement simple donne à la synapse des propriétés principales qui sont nécessaires pour le traitement dynamique de l’information. La plasticité synaptique à court terme sera utilisée dans la caractérisation de nos échantillons.
I.4.3.4 Plasticité Synaptique à Modulation Temporelle Relative
La dépendance des activités des neurones et des forces synaptiques sont très importantes pour le traitement et le stockage d’informations dans le cerveau [78]. L’étude des règles régissant l’efficacité des interactions synaptiques est donc le centre d’intérêt des sciences neuronales.
Figure I. 24 a) Impulsion neuronale (neurone présynaptique et du neurone postsynaptique) [75] b) Modification synaptique induite par des impulsions répétitives pré et post-synaptiques appariés dans les couches 2/3 du cortex visuel d’un rat [80].
Récemment des expériences ont montré que la direction et l’amplitude des forces synaptiques sont fortement liées à la synchronisation du temps relatif aux impulsions pré et post- synaptiques [79]. Dans la plupart des systèmes étudiés à ce jour, quand les impulsions présynaptiques arrivent avant les impulsions post-synaptiques, ceci conduit à un renforcement synaptique. Ce phénomène appelé plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) « Spike Timing Dependent Plasticity », est une forme temporelle asymétrique de l’apprentissage Hebbien. Tandis que lorsque les impulsions présynaptiques arrivent après les impulsions post- synaptiques, on parle dans ce cas d’un affaiblissement des poids. Ce phénomène, appelé (anti STDP), a été également observé [81].
Un composant synaptique devrait donc être un simple dispositif nanométrique à deux ou trois bornes afin d’atteindre les échelles de densité biologique. De plus, ces principales caractéristiques doivent être directement liées au parallélisme et à la tolérance aux erreurs. Le dispositif devrait imiter la plasticité en mettant en œuvre une transition analogique entre les différents états de conductance avec une faible consommation d’énergie.
Dans ce contexte on propose d’étudier, dans ce manuscrit, la fabrication et la caractérisation d’un composant hybride simple, constitué de l’assemblage des nanoparticules d’or et d’un film mince de semiconducteur organique de type N. Au-delà de la plasticité synaptique on va également
démontrer comment on peut adapter la fonction d’apprentissage synaptique à la modulation temporelle (voir chapitre IV).
Les mémoires ont beaucoup évolué ces dernières années, néanmoins il est toujours nécessaire de disposer de composants universels pour couvrir les besoins croissants en stockage de données. Les mémoires inorganiques actuelles ne sont pas compatibles avec des substrats souples, il est donc nécessaire de développer de nouvelles approches appropriées à une électronique imprimée, souple et à bas coût. Actuellement, les mémoires organiques peuvent être considérées comme des candidats prometteurs pour ces applications.