La modélisation informatique est essentielle pour comprendre comment le cerveau crée et conserve des informations complexes, telles que les souvenirs. Mais développer de tels modèles est une tâche difficile.
Une symphonie de signaux biochimiques et électriques et un enchevêtrement de connexions entre les neurones et d’autres types de cellules créent le matériel nécessaire pour que les souvenirs s’installent. Cependant, mettre le processus dans un modèle informatique pour l’analyser plus en profondeur s’est avéré difficile car les neuroscientifiques en apprennent encore sur la biologie du cerveau.
Le réseau Hopfield, un modèle informatique de mémoire populaire, a maintenant été modifié par les chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) d’une manière qui améliore les performances en s’inspirant de la biologie. Les scientifiques ont découvert que le nouveau réseau pourrait contenir beaucoup plus de souvenirs et refléter plus précisément le câblage des neurones et d’autres cellules cérébrales.
Les réseaux de Hopfield utilisent des modèles de connexions pondérées entre plusieurs neurones pour conserver des souvenirs. Les chercheurs peuvent tester le souvenir du réseau de ces modèles en lui fournissant une série de modèles flous ou incomplets et en voyant s’il peut les identifier comme étant déjà connus. Le réseau est « formé » pour coder ces modèles.
Pourtant, dans les réseaux de Hopfield classiques, les neurones du modèle établissent une séquence de connexions « par paires » avec d’autres neurones. Les connexions par paires simulent l’interaction de deux neurones cérébraux au niveau d’une synapse, où ils se connectent. Le cerveau s’appuie sur un réseau de synapses beaucoup plus compliqué pour exécuter les fonctions cognitives, car les neurones contiennent des branches complexes appelées dendrites qui offrent plusieurs emplacements de connexion. Les astrocytes, une classe cellulaire différente, influencent également les connexions entre les neurones.
Thomas Burns, un doctorat. étudiant du groupe du professeur Tomoki Fukai, qui dirige l’unité de codage neuronal et d’informatique cérébrale de l’OIST, a déclaré : “Il n’est tout simplement pas réaliste que seules des connexions par paires entre les neurones existent dans le cerveau.”
M. Burns a créé un réseau Hopfield modifié dans lequel non seulement des paires de neurones, mais des ensembles de trois, quatre neurones ou plus pourraient également se connecter, comme cela pourrait se produire dans le cerveau via les astrocytes et les arbres dendritiques.
Bien qu’autorisant ces connexions dites « set-wise », le nouveau réseau disposait néanmoins globalement du même nombre de connexions que l’ancien. L’équipe a découvert qu’un réseau avec un mélange de connexions par paires et par ensemble fonctionnait de manière optimale et conservait le plus de souvenirs. Ils prédisent qu’il fonctionne au moins deux fois mieux qu’un réseau Hopfield conventionnel.
M. Burns a dit, “Vous avez besoin d’une combinaison de fonctionnalités dans un certain équilibre. Vous devriez avoir des synapses individuelles, mais vous devriez aussi avoir des arbres dendritiques et des astrocytes.
L’équipe prévoit de continuer à travailler avec leurs réseaux Hopfield modifiés pour les rendre encore plus puissants. De plus, M. Burns aimerait explorer les moyens de faire interagir les souvenirs du réseau comme ils le font dans le cerveau humain.
M. Burns a dit, « Nos souvenirs sont multiples et vastes. Nous avons encore beaucoup à découvrir. »
Référence de la revue :
- Thomas F. Burns, Tomoki Fukai. Réseaux simpliciaux de Hopfield. Affiche ICLR 2023. Papier lien.
