Des chercheurs ont franchi un cap technologique et scientifique majeur en créant l’une des simulations numériques les plus détaillées d’un cortex de souris. Cette prouesse a été rendue possible grâce à la puissance colossale du supercalculateur japonais Fugaku, capable d’effectuer des quadrillions d’opérations par seconde. Ce cerveau virtuel, qui reproduit des millions de neurones et des milliards de synapses, ouvre des perspectives inédites pour étudier des maladies comme Alzheimer ou l’épilepsie sans avoir recours à du tissu vivant.
Une collaboration scientifique et technologique sans précédent
Ce projet ambitieux résulte d’une collaboration internationale menée par l’Allen Institute et le professeur Tadashi Yamazaki de l’University of Electro-Communications au Japon, associés à trois autres organisations japonaises. Le supercalculateur Fugaku, développé par RIKEN et Fujitsu, a joué un rôle central dans cette avancée. Son nom, inspiré du mont Fuji, symbolise la portée et la performance impressionnante de cette machine classée parmi les plus rapides au monde. Pour mettre en perspective sa puissance de calcul : compter jusqu’à 400 quadrillions à raison d’un chiffre par seconde prendrait plus de 12,7 milliards d’années, soit presque l’âge estimé de l’univers. Les résultats complets de cette recherche seront présentés lors de SC25, la conférence mondiale de référence en supercalcul, prévue à la mi-novembre.
Un cortex virtuel d’une complexité sans précédent
La simulation recréée par les scientifiques comprend près de dix millions de neurones, 26 milliards de synapses et 86 régions cérébrales interconnectées. Chaque neurone est modélisé avec une résolution subcellulaire, capturant les flux ioniques et les fluctuations de voltage à travers les membranes, ainsi que les morphologies arborescentes complexes des cellules nerveuses. Le modèle reproduit l’activité spontanée du cortex au repos, offrant un niveau de détail biologique inégalé. Pour construire cette réplique numérique, l’équipe a utilisé le Brain Modeling ToolKit de l’Allen Institute, alimenté par des données issues de l’Allen Cell Types Database et de l’Allen Connectivity Atlas. Un outil appelé Neulite a ensuite transformé des équations mathématiques en neurones virtuels capables de générer des signaux électriques, de communiquer et de se comporter comme leurs homologues biologiques. Observer cette simulation s’apparente à regarder un cerveau vivant en action.
Des maladies neurologiques simulées pour mieux les comprendre
L’un des apports majeurs de ce cerveau virtuel réside dans sa capacité à recréer des conditions pathologiques comme l’Alzheimer ou l’épilepsie. Les chercheurs peuvent désormais observer comment les dommages se propagent à travers les circuits neuronaux ou comment les crises épileptiques se déplacent dans le réseau cérébral, sans nécessiter d’expérimentations sur du tissu réel. Anton Arkhipov, chercheur à l’Allen Institute, explique : « Cela montre que la porte est ouverte. Nous pouvons exécuter ce type de simulations cérébrales de manière efficace avec suffisamment de puissance de calcul. » Selon lui, cette avancée technique ouvre la voie à des modèles beaucoup plus vastes, qui pourront être développés avec précision et à grande échelle. Ces simulations offrent également un moyen sûr de tester des hypothèses thérapeutiques et pourraient fournir des indices précoces sur la formation de troubles cérébraux, avant même l’apparition des symptômes.
Vers la modélisation d’un cerveau humain complet
Le supercalculateur Fugaku est composé de 158 976 nœuds de traitement, organisés en unités, étagères et baies, formant un système capable de gérer des volumes massifs de données et de calculs. Yamazaki souligne que Fugaku est utilisé dans de nombreux domaines scientifiques — astronomie, météorologie, découverte de médicaments — contribuant à résoudre divers problèmes sociétaux. Il ajoute : « C’est une prouesse technique, mais ce n’est que la première étape. Dieu est dans les détails, et je crois aux modèles détaillés biophysiquement. » Arkhipov partage cette vision ambitieuse : « Notre objectif à long terme est de construire des modèles de cerveaux entiers, et éventuellement même des modèles humains, en utilisant tous les détails biologiques que notre Institut découvre. Nous passons maintenant de la modélisation de zones cérébrales uniques à la simulation du cerveau entier de la souris. » Cette étape marque une transition décisive vers une ère où comprendre le cerveau signifie aussi être capable de le reconstruire numériquement.
Pour aller plus loin / Source : ScienceDaily
