L’expérience du « cartpole » (ou pendule inversé) est un classique des mathématiques, de la robotique ou de l’apprentissage automatique. Un problème d’ingénierie fondamental qui consiste à maintenir un pendule inversé en équilibre vertical sur un chariot mobile en corrigeant ses mouvements : un système instable par nature, car au moindre écart, il peut tomber de son support.
Des chercheurs de l’University of California, Santa Cruz, ont voulu vérifier si des mini organoïdes cérébraux dérivés de cellules souches de souris pouvaient réussir à être entraînés à résoudre cette tâche. Des structures multicellulaires en 3D, cultivées in vitro, qui reproduisent de manière simplifiée l’anatomie et certaines fonctions basiques d’un cerveau. Le 24 février, ils ont publié les résultats de leurs travaux dans la revue Cell Reports : l’expérience fut, dans les grandes lignes, un succès.
Un test d’équilibriste pour des neurones sans conscience
Même si ce test est un benchmark de contrôle dynamique utilisé pour entraîner des algorithmes qui sont appliqués à des technologies de pointe, nous l’avons tous essayé au moins une fois dans notre vie, sans le savoir. Lorsque vous tentez de tenir une règle ou un stylo en équilibre sur le bout de vos doigts, c’est quasiment le même principe que le « cartpole ». Vous luttez contre l’oscillation de l’objet, qui, rattrapé par la gravité, chutera naturellement si vous ne compensez pas ses mouvements.
Les chercheurs, pour leur expérience, l’ont mimé virtuellement, et le chariot (votre main dans la vraie vie) ne pouvait se déplacer que de droite à gauche, sur un axe horizontal. Pour les organoïdes, l’inclinaison du pendule était traduite en motifs de stimulation électrique envoyés au tissu neuronal : plus la barre penchait d’un côté, plus le signal variait. En retour, l’activité électrique produite par l’organoïde était interprétée comme une commande : déplacer le chariot vers la gauche ou vers la droite pour tenter de rétablir l’équilibre.
Clarifions immédiatement : ces mini-cerveaux n’étaient pas doués de conscience, et ne comprenaient absolument rien à la tâche qu’on leur avait confié. Même sous cette condition, les chercheurs ont tout de même pu répondre à cette problématique : est-ce qu’un réseau neuronal cultivé en laboratoire peut apprendre à faire moins d’erreurs quand on le stimule correctement ?
Chaque tentative était arrêtée lorsque le pendule dépassait un certain angle ; s’il partait trop loin sur le côté, les chercheurs coupaient la simulation et recommençaient. Les performances des mini-cerveaux ont ainsi été évaluées tout au long de plusieurs essais consécutifs, pour vérifier s’ils progressaient. Mais progresser suppose un facteur essentiel : le système doit pouvoir tenir compte de ses erreurs pour se corriger.
Lorsque vous vous amusez à tenir un stylo en équilibre et qu’il commence à tomber, votre cerveau reçoit immédiatement une information sensorielle, et vous bougez votre main en conséquence. C’est un va-et-vient permanent entre action et correction : dans le jargon, on appelle cela une boucle de rétroaction. Pour pousser l’expérience à fond, les chercheurs ont recréé artificiellement cette boucle.
Ils ont testé trois protocoles différents. Dans le premier, aucune rétroaction : l’organoïde recevait les signaux liés à l’inclinaison du pendule, mais aucune information supplémentaire ne venait influencer son activité en fonction de sa performance. Dans la deuxième, une stimulation aléatoire était envoyée à certains neurones, sans lien direct avec le succès ou l’échec des tentatives.
Le troisième était le plus complexe : lorsqu’ils s’apercevaient que les mini-cerveaux peinaient plus à maintenir le pendule en équilibre par rapport à la moyenne des essais précédents, de brèves salves électriques étaient envoyées à certains neurones. Les chercheurs regardaient si, sur plusieurs tentatives successives, le pendule tenait moins longtemps qu’avant. Si c’était le cas, ils envoyaient une courte impulsion électrique à un ensemble déterminé de neurones.
Ils observaient ensuite ce qu’il se produisait lors des essais suivants : si le pendule restait droit plus longtemps, la probabilité de stimuler ce même ensemble de neurones augmentait ; si la situation empirait, le ciblage était modifié. C’est seulement lorsque cette rétroaction adaptative (liée aux performances) a été introduite dans l’expérience que les organoïdes ont progressé, en maintenant le pendule plus longuement droit sur le chariot.
De bons résultats, mais aucune mémoire à long terme
Dès que les mini-cerveaux tentaient l’expérience, les chercheurs organisaient les essais en cycles d’évaluation. Un cycle correspondait à cinq tentatives, et pour déterminer si les organoïdes progressaient vraiment, ils avaient besoin d’un point de comparaison : le hasard. Pourquoi ? Parce que même un système qui n’apprend rien peut, par simple fluctuation, maintenir le pendule debout un peu plus longtemps sur certains essais. Il fallait donc savoir ce qu’un comportement aléatoire pouvait produire en moyenne.
Les chercheurs ont donc simulé un système qui déplaçait le chariot en envoyant des commandes gauche ou droite sans logique d’adaptation. Ils ont mesuré combien de temps, en moyenne, un tel comportement pouvait maintenir le pendule en équilibre. Cette durée pouvait, par conséquent, leur servir de référence.
Chacun des cycles a été comparé à cette durée. Si, sur l’ensemble de ces cinq essais, la durée moyenne d’équilibre dépassait ce que le hasard pouvait produire, le cycle était comptabilisé comme supérieur au comportement aléatoire.
Sans rétroaction, seuls 2,3 % des cycles franchissaient ce seuil. Lorsqu’ils stimulaient aléatoirement les organoïdes, les résultats étaient meilleurs, presque le double, puisqu’ils ont réussi à atteindre 4,4 %. En revanche, lorsqu’ils étaient soumis à la boucle de rétroaction, le chiffre a bondi à 46 %. Dans tous les cas, le pendule finissait par tomber du chariot, mais dans ce dernier cas, dans presque un cycle sur deux, les organoïdes le maintenaient plus longtemps que dans les deux autres conditions expérimentales.
Toutefois, ils ne conservaient pas les progrès accomplis, ou très peu ; lorsqu’ils étaient laissés au repos pendant 45 minutes, leurs performances revenaient à leur point de départ. En absence de stimulation électrique, aucune consolidation de leur apprentissage n’a été observée : il s’agissait juste d’une plasticité fragile, d’une performance acquise sous la contrainte dont les mini-cerveaux ne pouvaient pas se souvenir.
On pourrait honnêtement se demander le but d’une telle expérience s’il n’y a aucun ancrage mémoriel. Pour David Haussle, bioinformaticien et co-auteur de l’étude, il ne s’agit en aucun cas de faire émerger une forme d’intelligence primaire au sein de ces organoïdes, mais de servir la recherche thérapeutique. « Notre objectif est de faire progresser la recherche sur le cerveau et le traitement des maladies neurologiques, pas de remplacer les systèmes de contrôle robotique ou les ordinateurs par des tissus cérébraux animaux cultivés en laboratoire », explique-t-il. L’intérêt est donc avant tout méthodologique : comprendre pourquoi et comment certaines connexions neuronales s’altèrent dans des pathologies comme la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson en disposant d’un indicateur mesurable de plasticité. Un exemple parmi tant d’autres, car ce cadre expérimental fournit finalement un modèle simplifié et reproductible pour étudier des phénomènes qui, dans un cerveau entier, seraient bien plus difficiles à mettre en évidence.
- Des chercheurs ont entraîné des mini-cerveaux en laboratoire à résoudre le problème du « cartpole », montrant une certaine capacité d’apprentissage.
- L’expérience a révélé que les organoïdes ne retenaient pas les progrès réalisés, soulignant une plasticité neuronale fragile.
- L’objectif principal de la recherche est d’améliorer la compréhension des maladies neurologiques, et non de créer une forme d’intelligence.
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