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ETTEthèse s’est appuyée sur deux projets pluridisciplinaires : le projet européen BRAIN-BOW (1) et le projet ANR HYRENE (2). Ces projets ont rassemblé des chercheurs appartenant au monde de la biologie, de l’électronique, des matériaux (HYRENE) et de l’informatique pour réaliser des expériences hybrides alliant l’artificiel et le vivant.Ces trois années de recherche autour de l’hybridation se sont matérialisées au travers de deux problématiques : la construction de réseaux de neurones numériques et l’élaboration du protocole GIHON. Les réseaux de neurones numériques ont été réalisés dans le cadre des deux projets pluridisciplinaires tandis que l’élaboration du protocole GIHON a été faite en vue de futurs projets.
Le chapitre1nous a permis, dans un premier temps, de passer en revue quelques principes de base des réseaux de neurones, pour aboutir aux modèles de neurones fondés sur les mécanismes biologiques. Dans un second temps, nous avons souligné les efforts des chercheurs de l’ingé-nierie neuromorphique pour imiter les réseaux de neurones afin d’en étudier le fonctionnement et de créer des architectures de calculs. Nous avons ensuite présenté la double problématique de cette thèse à savoir i) la création d’un réseau de neurones en vue d’expériences hybrides et ii) la création d’un protocole de communication permettant de connecter des plateformes neuromorphiques d’origine hétérogène (Protocole GIHON).
Le chapitre2nous a permis de présenter l’architecture de notre implémentation d’un réseau de neurones adapté au temps biologique tout en émulant plusieurs mécanismes biologiques. Parmi ces mécanismes, nous trouvons les effets AMPA-ergique et GABA-ergique (qui diminuent tous les deux l’effet d’une stimulation respectivement excitatrice ou inhibitrice dans le temps), la STP (Short Term Plasticity, mécanisme selon lequel la force d’une synapse change momentané-ment en fonction de l’activité du neurone pré-synaptique), le délai synaptique (reproduisant la propagation d’un PA le long de l’axone) et le bruit synaptique (généré au travers du processus d’Ornstein-Uhlenbeck). De plus, notre implémentation est configurable par un jeu d’instructions grâce à la liaison série, ce qui nous permet de décrire différents réseaux avec un même système et donc d’adapter celui-ci aux différents besoins rencontrés.
Le chapitre3a été divisé en trois parties. La première partie a présenté une mise en œuvre des différents mécanismes implémentés. La deuxième partie montre une émulation des compor-tements des CPG (Central Pattern Generator) biologiques, caractérisés par des alternances de bouffées de potentiels d’action, en combinant plusieurs mécanismes implémentés. Pour finir, ce chapitre s’achève sur les résultats prometteurs obtenus au sein des deux projets : l’utilisation de CPGs numériques en vue de la réhabilitation d’une moelle épinière sectionnée (projet HYRENE) et l’utilisation d’un réseau de neurones en vue de créer une jonction bidirectionnelle au-dessus d’une lésion corticale (projet BRAINBOW).
Dans le chapitre4, nous avons passé en revue les différentes versions du protocole AER qui permettent de connecter différentes plateformes neuromorphiques. Le protocole AER avait été créé pour connecter différentes plateformes neuromophiques afin de créer des réseaux encore plus grands, mais les différentes versions, parfois incompatibles entre elles, ont compliqué cette perspective. Cette incompatibilité nous a donné l’ambitieuse idée de concevoir un protocole de communication permettant de connecter les plateformes neuromorphiques d’origine hétérogène
1European project FP7-ICT-2011-C 2French ANR 2010-Blan-031601
(biologique, logiciel et électronique). Ce chapitre nous a permis de montrer la faisabilité du protocole de communication GIHON, en passant par le port Ethernet.
Au travers de ces trois années de recherche, nous avons créé et implémenté une architecture biologiquement réaliste d’un réseau de neurones numérique. Cette implémentation a pu répondre aux contraintes des projets BRAINBOW et HYRENE. Par ailleurs, les résultats obtenus en connectant la plateforme MultiMed (dans laquelle notre réseau de neurones a été implémenté) et une culture de neurones ou une moelle épinière furent un succès et annoncent une série d’expérimentations hybrides plus avancées (en novembre 2015 pour le projet BRAINBOW). En effet, les résultats du projet BRAINBOW vont déboucher sur l’étude des réseaux de neurones 3D. Parallèlement, les résultats du projet HYRENE vont aboutir à une collaboration avec l’en-treprise Synapse Biomedical Inc. sur l’utilisation des CPGs in vivo dans l’étude de maladies neurodégénératives comme la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Notre architecture sert aussi actuellement de support pour le dépôt de projets (projet ANR octobre 2015, KAKENHI (ANR japonaise) en novembre 2015 et un projet européen FET en avril 2016).
En plus de la poursuite de ces travaux dans le domaines des neurosciences, il sera aussi possible d’approfondir ce travail d’un point de vue électronique en cherchant à optimiser l’implé-mentation du code en vue de la réalisation d’une neuroprothèse faible consommation. Ce travail de thèse a permis à l’équipe AS2N d’élargir son champ de compétences dans le domaine de la conception neuromorphique en implémentant des réseaux de neurones en mode numérique. Elle envisage de poursuivre cet axe de recherche.
La communauté neuromorphique est en constante évolution avec la volonté d’agrandir la taille des réseaux de neurones. La création du protocole GIHON (Generic Interconnection between Heterogeneous spiking neurONs) s’inscrit dans une volonté d’élargir les possibilités d’hybridation des réseaux de neurones. GIHON ne dépend pas du type de plateformes ou de réseaux qu’il interconnecte et de ce fait permet d’interconnecter des réseaux de neurones biologiques, logiciels et/ou électroniques. Le protocole GIHON est un outil puissant qui pourra être affiné et complété avec le concours de la communauté neuromorphique.