Combien de processeurs pour un cerveau ?

(article publié dans le cadre de la semaine thématique du C@fé des Sciences sur Le Cerveau)

Lancé par une équipe de l'EPFL dirigée par Henry Markram, le "Human Brain Project" (HBP) vise à simuler un cerveau humain dans un superordinateur d'ici dix ans. Cet objectif extrêmement ambitieux a paru suffisamment réaliste à l'Union Européenne pour consacrer 1 milliard d'Euro à ce projet mêlant neurosciences et informatique.

Les neurosciences étant traitées par des blogueurs bien plus compétents que moi en la matière, cet article se limite à la partie facile et que je connais un peu : l'informatique. D'ailleurs, Markram et son équipe poursuivent une approche "bottom-up" [1] compatible avec un grand principe de l'informatique :

Tout doit être construit de haut en bas (top-down), sauf la première fois.
(Alan Perlis)

Dès la fin des années 1950 les chercheurs ont analysé le fonctionnement de neurones vivants [2] et développé des modèles très simplifiés de neurones ayant débouché sur les "réseaux de neurones artificiels" très à la mode dans les année 1990 et qui ont permis de grand progrès dans des applications comme la reconnaissance optique de caractères notamment.

Les modèles actuels de neurones isolés sont beaucoup plus complexes et incorporent des modèles moléculaires comme le canal sodium  [3] ou les neurotransmetteurs. La simulation en temps réel d'un seul neurone exige une mémoire d'environ 1 Megabyte pour stocker toutes les variables qui définissent l' "état" du neurone à chaque instant, et une puissance de calcul de 1 GigaFLOPS, ce qui correspond:

Depuis 2006, le projet "Blue Brain" de Markram a simulé non seulement le fonctionnement, mais aussi la croissance d'une colonne néocorticale (NCC), une structure d'environ 1mm³ comprenant environ 10'000 neurones fortement interconnectés, répartis sur 6 couches. Un superordinateur BlueGene/L doté de 8192 processeurs pour un total d'environ 20 TeraFLOPS a été utilisé, ce qui fonde l'hypothèse de l'équipe selon laquelle la puissance et la mémoire nécessaires à la simulation augmentent linéairement avec le nombre de neurones, et heureusement pas avec le nombre de synapses par exemple.

Besoin mémoire/puissance en simulation neurologique selon Blue Brain

En extrapolant cette tendance linéaire, Markram estime qu'un ordinateur d'1 ExaFLOPS (un milliard de milliards d'opérations par seconde) doté de 100 PetaBytes de mémoire devrait être capable de simuler un cerveau humain contenant 100 milliards de neurones environ. Et en extrapolant aussi la remarquablement exponentielle loi de Moore, un tel superordinateur sera disponible en 2018.

D'autres projets de cerveaux artificiels comme Synapse [7], Spaun [8] ou même SpikeFun qui simule 32'000 neurones sur votre PC confirment grosso-modo ces ordres de grandeur.

Performance du plus puissant ordinateur (en rouge) au cours du temps selon top500.org

Le lecteur attentif aura remarqué qu'on a "perdu" deux ordres de grandeur en route : 100 milliards de neurones x 1 GigaFLOPS par neurone devraient donner 100 ExaFLOPS, pas 1. L'idée est que les étapes intermédiaires, mesocircuit, puis cerveau de rat, permettront de simplifier la simulation des neurones individuels, voire de la remplacer par un modèle des NCC. Markram considère en effet qu'une NCC est "est au cerveau ce qu'un microprocesseur est à un ordinateur" [1]. Si c'est le cas, alors un cerveau serait l'équivalent d'environ 10 millions de processeurs de 100 GigaFLOPS chacun "seulement" soit un bon PC actuelCependant, les marges d'erreur sont considérables comme on le voit dans la première figure:

De plus, l'approche du "Human Brain Project" consiste à initialiser le simulateur avec un cerveau à l'état embryonnaire, puis à le "laisser pousser" en évoluant dans un monde virtuel sur lequel il peut agir par l'intermédiaire d'un corps virtuel [1,4]. Il faudra donc des années pour que la simulation converge vers un cerveau adulte si on ne parvient qu'à une simulation "temps réel". Pour pouvoir effectuer plusieurs simulations de croissance en un délai raisonnable (en "tuant" le cerveau à la fin...), il faudrait là encore gagner plusieurs ordres de grandeur.

Cette approche pourrait nécessiter des millions d'ExaFLOPS (je viens d'apprendre que ça s'appelle des yotaFLOPS),  qui ne seraient disponibles que vers 2040. Ceci justifie le scepticisme de certains [9] et motive des projets concurrents qui pourraient se révéler complémentaires. Ainsi Obama vient de décider d'injecter 3 milliards de dollars sur 10 ans dans le "Brain Activity Map Project" qui consiste essentiellement à cartographier le cerveau en activité au niveau cellulaire.

Si des appareils d'imagerie médicale devenaient capables de capturer les quelques 100 PetaBytes d'information correspondant à l'état instantané d'un cerveau vivant, on pourrait imaginer un téléchargement de l'esprit vers un "Personal Cerveau" de bureau d'1 ExaFLOPS dès 2032 [10].

Dessin Human Brain-2

dessin: Arnaud Rafaelian, membre de Strip-Science (cliquer)

En attendant, il y a toujours moyen de fabriquer un cerveau humain parfaitement fonctionnel, indépendant et consommant peu d'énergie électrique en quelques minutes de conception, 9 mois de montage et quelques années de programmation ...

Références:

  1. Henry Markram "Human brain project : simuler le cerveau humain", Pour la Science N°425, mars 2013
  2. Lettvin, J.Y., Maturana, H.R., McCulloch, W.S., & Pitts, W.H. "What the Frog's Eye Tells the Frog's Brain" , 1959 ; Proceedings of the IRE, Vol. 47, No. 11, pp. 1940-51.
  3. Marco A. Herrera Valdez, Erin McKiernan, Sandra D. Berger, Stefanie Ryglewski, Carsten Duch, Sharon Crook "Relating ion channel expression, bifurcation structure, and diverse firing patterns in a model of an identified motor neuron"  Journal of Computational Neuroscience August 2012, DOI10.1007/s10827-012-0416-6
  4. Henry Markram "Keynote lecture at Neuroinformatics 2008 in Stockholm, Sweden" (video)
  5. Christian Clemençon "Presentation Cadmos", EPFL, 2009
  6. Nicolas Rougier "À propos de la modélisation du cerveau ", interstices, 2013 (audio 13:22).
  7. "IBM simulates 530 billion neurons, 100 trillion synapses on supercomputer", Kurzweil AI, 2012
  8. Ed Yong, "Simulated brain scores top test marks", Nature, 2012
  9. Ed Yong "Will we ever… simulate the human brain? " BBC Future, 8 février 2013
  10. Ray Kurzweil "How to Create a Mind: The Secret of Human Thought Revealed" (2012) Viking Adult ISBN:9780670025299•WorldCatGoogle Books  (résumé détaillé en anglais)
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  • Philippe Baucour

    Bonjour,

    sur le même sujet je vous conseille vivemnt d’écouter le Podcast de l’émission « Science Publique » du 08/02/2013 disponible sur France Culture

    http://www.franceculture.fr/emission-science-publique-que-peut-on-attendre-d-un-cerveau-humain-artificiel-2013-02-08

    où l’on ressent que l’approche de Henry Markram n’est pas partagée par tous et que le Human Brain Project est plus large que la théorie de Markram avec des enjeux techniques et sociétaux important.

    Merci

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Oui, encore une fois je n’aborde « que » les difficultés informatiques, et encore, très superficiellement. La fin de l’article et certaines références mentionnent des critiques à l’approche de Markram que j’aurais aimé détailler, peut-être que je le ferai dans un prochain article.

      Je suis en train d’écouter l’émission, qui devient intéressante à mon avis à partir de 30:00 environ. Avant on se perd un peu dans le bla-bla hexagonal et les attaques personnelles à peine déguisées et jalousies de chercheurs. La seule qui manque, c’est que la Suisse va toucher de l’argent européen ;-)

      Et sur la partie éthique de la fin de l’émission, pourquoi ne pas attendre de voir si le problème se pose avant de le résoudre ? Sur la partie sociétale, je crois qu’il est clair pour tout le monde que la fabrication d’une conscience artificielle, ou « pire » encore « uploadée » depuis un humain vivant qui deviendrait ainsi immortel, provoquerait une révolution sans équivalent dans l’histoire de l’humanité.

      Ca s’appelle la Singularité et j’espère bien voir ça.

  • http://szelveso.blogspot.hu/ Jean

    Le cerveau produit des représentations mentale (« pensées ») ET affectives (émotions). Un cerveau synthétique dénué d`émotions ne sera jamais qu`un ordinateur de plus, pas un cerveau. Meme au niveau des représentations mentales, le coté intuitif de la pensée est tres important et personne ne sait au juste comment ca « marche ». Markram et son équipe s`amusent bien et en plus sont payés pour ca parce`que ceux qui ont les moyens de les payer sont, eux, idiots. Bien joué mister Markram hehe..

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Effectivement, la question philosophique sous jascente est de savoir si les « pensées » et « émotions » sont des formes émergentes de la complexité. Dans ce cas elles émergeront d’un cerveau en silicium aussi bien que d’un ordinateur biologique (ou le contraire…)

      L’expérience nous permettra peut-être de mieux définir ce que sont les émotions, car ce n’est pas scientifiquement clair http://fr.wikipedia.org/wiki/émotion

      • Christine

        C’est passionnant et ça me fait penser à un ouvrage de Marie Balmary, psychanalyste française, qui explore et recherche via les mythes fondateurs comment le « Je » de la conscience est advenu aux humains (Dieu n’a pas créé l’Homme).
        Elle nous prends par la main et nous montre des pistes pour comprendre qu’il existe des questions auxquelles la science ne peut répondre et qu’il faut se tourner vers la compréhension des mythes fondateurs, toutes sources confondues, pour trouver des réponses satisfaisantes, ce qu’elle fait avec les outils de la psychanalyse pour des conclusions renversantes! Avec le Brain Project, on devrait peut-être aussi se rappeler que « sciences sans conscience n’est que ruine de l’âme » (et je ne me rappelle plus qui a dit ça). UN sujet chaud assurément!
        Ceci dit, votre blog est toujours aussi intéressant, merci!

        • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

          Le 25 novembre 2013 13:26, Disqus a écrit :

  • http://szelveso.blogspot.hu/ Jean

    La différence entre un simple traitement de données informatique et le fonctionnement du cerveau, c`est le systeme motivationnel interne du cerveau qui est á base d`émotions. Non seulement il n`y a pas d`émotions s`il n`y a pas de capacité á « ressentir » mais en plus on connait encore tres mal le systeme émotionnel, ce qu˙on appelle « psychologie des affects ». Un ordinateur ou un cerveau synthétique peut analyser mais pas ressentir car l`émotion (le « ressenti »), ca n`est pas du domaine de la matiere inerte. Mis á part tout ca, le role du cerveau, c`est d`assurer la survie de l`individu et non pas de computer et ca signifie qu`un cerveau séparé du corps et des contraintes de survie du corps n`a pas de sens. Makram est un ptimalin qui a réussi a décrocher un milliard d`euros pour une recherche qui n`a aucun sens scientifique mais qui fait gamberger les technocrates européens incultes et ca montre bien l`absurdité d`un systeme de financement de la recherche scientifique dominé par la politique.

    • Ethaniel

      « l`émotion (le « ressenti »), ca n`est pas du domaine de la matiere inerte »
      Bigre, la matière carbonée aurait-elle donc une propriété magique voire divine lui permettant de générer ex nihilo des émotions et donc la conscience, propriété magique/divine dont serait privée le reste, dont la matière silicée ?
      Je vous invite d’urgence à consulter l’excellent ouvrage « Je suis une boucle étrange » de Douglas Hofstadter qui, je l’espère, vous éloignera de cette pensée magique/théologique.

  • nonos

    Oui, enfin … avant l’émotion, il y a la conscience. Et c’est le corps en entier qui permet son émergence, tout faire reposer sur l’unique cerveau est sans doute réducteur.

    Une remarque toutefois à un commentaire de Dr Goulu, mais juste pour le principe :D
    « pourquoi ne pas attendre de voir si le problème se pose avant de le résoudre ? »

    Peut-être parce que quand certains problèmes se posent, il est déjà trop tard pour les prendre en charge, ou tout au moins pour revenir à une situation acceptable ou préalable ?

    C’est un gros gros gros défaut, à mon sens bien sûr, des développements technologiques aujourd’hui, et hier, que de passer sous silence tout ce qui pourrait gêner l’activité, fut-elle fantasmagorique, de nos têtes pensantes et dirigeantes. Le nucléaire, les ondes électromagnétiques, autant de sujets qui ont donné lieu à des billets ici-même par exemple.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Comme d’hab je vais me faire un peu l’avocat du diable pour pimenter la discussion ;-)

      1) Ce qui me réjouis, c’est que ce genre de projet va peut être remettre à leur place les philosophes qui nous bassinent depuis des siècles avec leurs débats sur ce que sont les émotions, la conscience, l’intelligence etc. Déjà que les singes et les programmes d’échecs nous ont collés des baffes, Markram va (peut-être) rejoindre Copernic et Darwin dans la liste de ceux qui éloignent désespérément notre nombril du centre de l’Univers.

      2) Ce blog s’appelle « Pourquoi Comment Combien » car les questions se posent dans cet ordre : d’abord les questions scientifiques, ensuite techniques, et finalement économiques. Les neurosciences toutes neuves sont encore dans le « pourquoi » scientifique, mais maintenant elles ont besoin de gros moyens informatique (« comment ») pour progresser en trifouillant moins des cerveaux vivants. La question éthique est vite vue, non ? Et tant qu’on produira des cerveaux humains en 9 mois par la bonne vieille méthode, je ne vois pas vraiment de « combien » à l’horizon…

      Le nucléaire, les ondes électromagnétiques et plein d’autres poisons permettent d’alimenter de mieux en mieux bientôt 10 milliards de cerveaux pendant 80 ans chacun. Si vous avez des regrets, c’est trop tard : fallait pas descendre des arbres.

  • nonos

    Pas de problème pour ce qui est de se faire l’avocat du diable, je l’ai un peu tenté, et vous m’en avez donné l’habitude de toute façon.

    « Descendre des arbres », sinon, c’est sûr, ça change un peu de l’argument de la bougie, mais c’est bien troll quand même. N’empêche, et malgré cette chute un peu maladroite – de votre arbre à vous (n’est pas singe qui veut) – merci pour vos points 1 et 2.

    Sur votre point 1, je doute que les résultats soient si probants et rapides à obtenir, j’imagine plutôt – et au fond, j’admets que je l’espère surtout – que quelque chose nous fuira toujours et qui manquera à l’émergence de la conscience « artificielle ». Mais vous avez peut-être raison sur ce qui peut se passer.

    Sur le point 2, je n’abordais pas l’éthique sous cet angle, mais puisqu’on y est, on peut également se poser la question, avec votre permission: « à quoi ». Ou même « à qui ». Ce sont ce genre de questions, je crois, qui nous tempère parfois, ou devrait le faire.

    Je ne suis pas de ceux qui condamnent des travaux fondamentaux pour ce qui en sera fait ensuite, par d’autres, et qui est la plupart du temps imprévisible. Mais en revanche, je pense que quand sur certains points nous avons un peu de visibilité, même et surtout éthique, quand nous pouvons anticiper un peu, il faut en tenir compte. Quitte d’ailleurs, à se tromper, ça fait partie des possibilités aussi quand on veut anticiper, et sans doute on en apprend à cette occasion-là aussi.

  • nonos

    Ah oui, j’ai oublié.

    Sur le point 1, cela me fait penser aux robots de discussion.

    Je ne suis pas spécialiste du tout, j’ai juste pris le temps une fois ou deux, quelques minutes, d’aller voir, discuter,
    et d’un certain point de vue, j’ai été bluffé par le résultat.

    Mais je reconnais qu’à aucun moment je n’ai pu envisager même l’idée que cette impression de conscience était de la conscience. Alors nous avons à faire là à quelque chose d’éloigné de ce qui est visé, moult perfectionnements sont possibles, prévus, à l’intelligence artificielle,
    et pourtant, j’ai du mal à me faire à l’idée que cela pourrait opérer un changement chez moi de ce que je perçois comme conscient, qui relève exclusivement du vivant, de ce qui simule, par une « machinerie » plus ou moins évoluée et complexe.

    Sur ce point, je reconnais être un peu naïf dans l’approche, et je suis surpris de voir que d’autres, plus proches du domaine, voire immergés dedans, sont moins catégoriques. C’est à la fois intéressant et étrange, et bien entendu, cela donne envie d’en savoir plus.
    Merci donc, et au plaisir de vous lire.

  • Florentin

    Le cerveau ne se développe pas sans corps mais également sans environnement avec lequel il peut interagir. Or c’est cette interaction, combinée avec le programme de développement des gènes, qui lui permet d’être une entité saine, évoluant vers toujours plus de complexité (via différents stades, comme ceux décrit par Piaget.). La non-stimulation de certaines fonctions Cognitivo-physiologiques entraîne leurs non-développement ou leurs pertes.

    Chez l’enfant, passé l’âge de six ans, le langage ne peut plus s’établir (enfant sauvage). Harlow, puis Spitz, dans des expériences qui serait considéré de nos jours comme cruelles, montrent que l’isolation des animaux ou des humains des leur naissance anéanti complètement leurs comportement social, se rapprochant de comportement autistiques (balancement d’avant en arrière), et cela de manière irréversible. Le cerveaux doit donc être stimulé au bon moment et avec la bonne « dose » (zone proximale de développement).

    Or ici, je n’ai pas l’impression qu’il soit question de relier cette entité au vrai monde (via des entrée/sortie similaire aux sens humains) ou de simuler cette environnement de manière assez crédible (et là je ne veux même pas savoir la puissance de calcul et les connaissances supplémentaires nécessaire, …) On risque ici de créer une entité se développant sans but, et donc se dirigeant nulle part….

  • Jerem

    Bonjour à tous. Je suis informaticien et scientifique amateur et de mon point de vue, je ne pense pas que ce soit inimaginable de reproduire un cerveau. mais seule la technologie actuelle peut mettre des bâtons dans les roues. Je pense que l’émotion est un programme qui s’est développé en nous au fur et à mesure du temps. Sur du vécu et avec tous nos sens. Donc effectivement pour reproduire une émotion seul le cerveau ne pourra pas à moins qu’on l’ai programmé d’avance. Pour moi un neurones est comme un couple (transistor/condensateur) un 1 ou un 0 une cellule mémoire. Et justement je fais des recherches sur les fréquences générées sur une infime partie de neurones de la mémoire visuelle et sonore. Et je vois que mes recherches se rapprochent chaque jour d’une logique arithmétique et booléenne.

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      Les neurones ne sont pas si simples que ça, déjà ils ont beaucoup d’entrées (synapses), sont analogiques (les fréquences varient continument) et ils ont un état interne qui leur confère une dynamique, non-linéaire qui plus est (effets de seuils etc.). En plus ils sont influencés par leur environnement chimique (hormones etc) et tout ça fait qu’un cerveau est non stationnaire, varie avec le temps, ce que les biologistes appellent https://fr.wikipedia.org/wiki/Plasticit%C3%A9_neuronale

      L’attitude « réductionniste » consisterait à dire qu’il faut commencer par comprendre le système nerveux complet d’une petite bête comme un nématode avant de viser plus haut.

      D’autres comme Markram pensent que ce n’est pas nécessaire, qu’il suffit de simuler le comportement « macroscopique » de colonnes corticales et de les interconnecter. On verra …