Bilan

Henry Markram, l’homme qui veut simuler la conscience dans un ordinateur

Le chercheur de l’EPFL a fait de Blue Brain la plus vaste entreprise de recherches sur le cerveau. Aujourd’hui, il mène une bataille pour installer en Suisse romande un nouveau CERN qui sera le cœur d’une ambition scientifique digne du premier pas de l’homme sur la lune.

Des couloirs de la Commission de Bruxelles au Conseil des écoles polytechniques suisses, en passant par les agences de recherche des pays voisins, tout indique que c’est désormais une certitude, la Suisse romande est embarquée dans un projet fantastique qui se mesure aux plus grandes ambitions scientifiques des dernières décennies: le premier pas de l’homme sur la Lune, le décryptage du génomehumain ou encore le projet Manhattan qui a débouché en 1945 sur la première bombe A de l’histoire.

L’inspirateur et le moteur de ce projet tout à fait unique n’est autre qu’Henry Markram, une star de l’EPFL et directeur du programme Blue Brain. Son ambition: créer au cours des dix prochaines années un nouveau centre de recherche international pour percer les secrets du cerveau. Les terrains de la Jonction à Genève ont déjà été évoqués pour accueillir ce centre. D’autres sont envisagés.

 

Sponsor Henry Markram et Paul Allen, confondateur de Microsoft qui s'intéresse à Blue Brain.

Quel que soit le site choisi pour l’implantation de ce CERN du cerveau, une chose est déjà acquise: Henry Markram place l’arc lémanique au cœur de la première révolution scientifique du IIIe millénaire, celle des neurosciences. Ses travaux commencent à répondre à la question fondamentale de savoir de quoi est biologiquement fait notre esprit. En collaboration avec sa seconde épouse, Kamila, elle aussi chercheuse à l’EPFL, il vient ainsi de montrer que l’autisme est dû à une suractivité cérébrale et non à l’inverse. Au-delà, Blue Brain promet de nouveaux soins aux 2 milliards d’humains souffrant de désordres psychiatriques et neurologiques. Orateur volontiers iconoclaste, Henry Markram va même plus loin: «D’ici à dix ans, nous pourrons savoir si la conscience peut être simulée dans un ordinateur.»

 

Aux frontières de l’esprit

Dans son bureau de l’Institut Brain and Mind, le calme qui irradie d’Henry Markram, sa manière très posée de s’exprimer, tempère les conjonctures teintées de science-fiction sur l’intelligence artificielle. Et derrière son regard bleu antarctique, il abrite un esprit aussi fécond que méthodique. Une intelligence qui a séduit Patrick Aebischer.

Il y a dix ans, peu avant de prendre la présidence de l’EPFL, ce dernier avait averti: «Il reste deux grandes frontières en science: l’espace et le cerveau.» Par ces mots, il ne voulait pas dire qu’il n’y avait rien à chercher ailleurs. Mais vis-à-vis de l’espace comme du cerveau, la connaissance humaine est devant une terra incognita. Une frontière, au sens où l’entendent les Américains. Pour la défricher, il faut quelques savants cow-boys et des scientifiques à la pensée hors norme, capables de sortir des sentiers battus.

Pour trouver cette perle rare, Patrick Aebischer et son adjoint d’alors, Stefan Catsicas, se mettent sur une piste que leur a donnée en 2002 Wulfram Gestner, l’un des neuro-informaticiens de l’école. A cette époque, Henry Markram est au Weizmann Institute, un centre de recherche de pointe en Israël. A une semaine près, il doit signer avec le Massachusetts Institute of Technology (MIT) pour intégrer l’équipe de Susumu Tonegawa, Prix Nobel de médecine en 1987. Il hésite cependant. Déjà dragué quelques années plus tôt par la DARPA, la richissime agence de financement de recherche du Pentagone, il chérit son indépendance et se méfie du cadre américain qui force «à vendre ses conclusions plutôt que ses hypothèses pour financer ses recherches».

 

Blue Gene P Le superordinateur sert à l'équipe de Markram et aux Unis de Genève et Lausanne.

Tous deux neuroscientifiques, Patrick Aebischer et Stefan Catsicas comprennent vite qu’avec Markram ils sont sur la bonne piste. Ils ont besoin de lui pour construire le nouveau Brain and Mind Institute de la toute jeune faculté des sciences de la vie avec une autre sommité des neurosciences, Pierre Magistretti. Mais la vision de Markram ouvre aussi d’autres horizons. Le scientifique est persuadé qu’une nouvelle science est en train d’émerger à côté de l’expérimentation et de la théorie: la science basée sur la modélisation informatique, seule capable de synthétiser les gigantesques quantités de données dans lesquelles les chercheurs se noient aujourd’hui. Au surplus, il arrive avec quinze ans de récoltes de données qu’il entend synthétiser dans ce qui s’appellera bientôt Blue Brain et qui n’est pas qu’un projet de recherche mais le projet d’une vie.

 

Où l’on retrouve Livingstone

Henry Markram est né il y a quarante-huit ans, puis a grandi à Kuruman, en Afrique du Sud, à la frontière du Botswana. «J’ai d’abord été un gamin qui courait pieds nus dans les sables du Kalahari», se souvient-il. Elevé par des parents d’origine française et allemande du côté de sa mère et archibritannique du côté de son père, descendant d’un compagnon de Livingstone, il quitte à 12 ans le paradis d’une ferme pour animaux sauvages pour un collège select du Natal.

Au Kearsney College, il est plus attiré par les terrains de rugby et cette vallée des mille collines où il court chaque matin 10 kilomètres pour s’entraîner au marathon. Les cours ne l’intéressent pas. Un professeur de latin va changer sa trajectoire. En un semestre, il passe du dernier au premier rang. «Mon attention était captivée.» Elle va bientôt se focaliser sur le cerveau. Dans le cadre d’un projet scolaire, il découvre les recherches sur la dépression. «J’ai été saisi par l’étrangeté de cette maladie.»

En 1980, quand il sort de l’école, le meilleur moyen de poursuivre sur cette voie est d’entreprendre des études de médecine. Il débute les siennes à l’Université du Cap. En parallèle, il suit des études de biologie et effectue ses premières expériences dans les laboratoires de neurophysiologie. Là, une nouvelle rencontre va, comme il le dit, lui faire «signer le contrat de sa vie».

Aujourd’hui directeur de l’Institut de neuro-informatique de l’Ecole polytechnique de Zurich, Rodney Douglasest alors un des pionniers des recherches sur le traitement des informations par le cerveau. Il confie au jeune chercheur une expérience sur des neurones qui réagissent à plusieurs types de stimuli très différents tels que son, température ou lumière. «Comment une cellule unique pouvait-elle réagir à toutes ces sensations différentes?»

En appliquant à ces cellules nerveuses une substance chimique, l’acétylcholine, un des cinq principaux neuromodulateurs, comme la dopamine ou la sérotonine, il découvre que leurs comportements s’en trouvent bouleversés. «Cette interaction chimique changeait complètement la perception du monde de ces neurones. En introduisant ce produit chimique, on module leur perception de la réalité. Pour moi, c’était le début d’un voyage pour comprendre comment notre perception du monde est, en réalité, subjective.»

Une moisson de quinze ans

Cette découverte fait passer la médecine au second plan. Il obtient son diplôme de sciences avec une distinction et sa thèse emporte le prix annuel de l’université. L’été suivant, invité avec sept autres étudiants au Weizmann Institute, il découvre les premières technologies de pointe des neuro-sciences. Déjà au bénéfice de l’examen théorique de sa médecine, il demande un congé pour rester en Israël et y poursuivre ses recherches en neurochimie. Il y commence son doctorat en 1988. Il ne remettra plus les pieds en Afrique du Sud pendant dix ans.

 

Blue Rain Les laboratoires ont automatisé les découvertes sur la biologie du cerveau.

Désormais marié à une Israélienne, avec laquelle il aura trois enfants, Henry Markram multiplie les découvertes sur le rôle de l’acétylcholine. «Si la mémoire sélectionne ce qu’elle retient parmi toutes les informations reçues, c’est grâce à ce phénomène», explique-t-il. Mais les portes qu’il ouvre débouchent sur de nouvelles questions. «Les neuromodulateurs se diffusent dans l’ensemble du cerveau pour gérer 100 milliards de neurones: 90% des maladies neurologiques ou psychiatriques sont associées à ces effets. Mais comment quelque chose de diffus peut-il aboutir à un effet spécifique? Pour répondre, vous ne pouvez pas observer un seul neurone. Il faut comprendre le système. Parce que c’est ce système qui aboutit à l’émergence de notre état cognitif.»

 

Henry Markram a dès cette époque l’intuition de ce qu’il peut obtenir du Blue Brain: une approche systémique de l’ensemble de la biologie du cerveau. Pour casser le code électrochimique du cerveau, il a l’idée de construire un modèle complet à partir de l’ensemble des données génétiques, cellulaires, chimiques, électriques… Ce qu’il appelle du «reverse engineering». Mais comme il y a 100 milliards de neurones dans le cerveau, qu’une seule colonne néocorticale où 10 000 neurones rassemblés remplissent leur fonction via jusqu’à 30 millions de synapses (de connexions entre les neurones), il est aussi face à une forêt vierge. D’autant plus inextricable que, à cette période, les technologies des neuro-sciences restent rudimentaires.

En 1990, les meilleurs ordinateurs ne peuvent pas traiter pareille quantité de données. Et la seule récolte des informations biologiques est elle-même encore un fastidieux travail de paillasse de laboratoire. S’il veut s’approcher de son formidable objectif, Henry Markram doit trouver de nouvelles méthodes. Pour casser le code de l’information cérébrale, il faut d’abord percer les mystères des circuits biologiques. Comprendre le hardware avant le software.

Cette quête le conduit au National Institute of Health aux Etats-Unis. Là, il passe de la chimie du cerveau à sa physique électrique afin d’étudier les canaux d’ions qui s’ouvrent dans les synapses pour transmettre les signaux électriques d’un neurone à un autre. Il part ensuite pour l’Institut Max Planck d’Heidelberg où Bert Sakmanna obtenu le Nobel pour sa méthode de «patch clamping». Grâce à cette méthode d’enregistrement par une électrode de la circulation de l’information dans les neurones, il peut commencer à industrialiser la découverte des règles qui gouvernent le circuit cérébral. C’est ce qu’il entreprend, à partir de 1997, de nouveau au Weizmann Institute. Cinq ans plus tard, il a suffisamment de pièces du puzzle pour envisager de les assembler. Mais pour cela, il lui faut encore deux choses: un superordinateur et des ingénieurs capables de calculer les algorithmes de la simulation numérique. L’EPFL lui offre les deux sur un plateau.

La science du troisième type

 

Découverte La simulation d'une colonne  de 10 000 neuronnes a prouvé la faisabilité de Blue Brain.

A partir de l’arrivée du Blue Gene L que l’école achète à IBM pour 10 millions de francs en 2005, l’équipe de 23 neurobiologistes et ingénieurs softwares que Markram a rassemblée va mettre moins de trois ans pour prouver que son objectif est réaliste. Sur la base de l’étude des interactions de neurones extraits de rats, ils modélisent une colonne de 10 000 neurones. A l’EPFL, une animation en 3D montre aux visiteurs comment l’information circule dans cette colonne.

 

La méthode fonctionne. Il reste à l’étendre. Pour modéliser les 10 000 neurones de la colonne néocorticale du rat, le Blue Gene L a mobilisé l’intégralité de sa puissance de calcul considérée en 2007 comme la septième plus grande du monde. Chacun des 8000 cœurs de la machine calcule en parallèle les actions d’un neurone. Mais s’il faut toute la puissance de la machine pour calculer 10 000 neurones, comment fera-t-on pour en calculer 100 milliards?

A l’automne dernier, l’EPFL, avec les Universités de Lausanne et Genève, a fait un nouveau pas dans cette direction en se dotant d’un nouveau supercalculateur, le Blue Gene P et ses 53,5 milliards d’opérations à la seconde partagées sur 16 000 cœurs de processeurs. Grâce aux progrès de la modélisation informatique, Henry Markram affirme qu’il serait déjà possible de modéliser avec cette machine la centaine de colonnes néocorticales du cerveau du rat. Mais ce qui l’intéresse, c’est le cerveau de l’homme qui en compte 10 000 fois plus.

Pour y parvenir, il lance l’idée d’un CERN du cerveau qui serait équipé d’un ordinateur beaucoup plus grand – on parle de millions de processeurs – où les neuroscientifiques mais aussi les biologistes et les psychiatres du monde entier pourraient venir tester leurs hypothèses sur un modèle numérique. La facture est cependant à la hauteur de l’ambition: 3 milliards d’euros.

Cela n’a rien d’impossible. D’autant que des institutions aussi inattendues que le Vatican se sont un temps intéressées au financement de ce projet. Et aujourd’hui, l’Union européenne est sur le point de sélectionner deux ou trois très grands projets dits «flagships» susceptibles de recevoir plusieurs milliards d’euros chacun. Ayant prouvé avec le CERN sa capacité à recevoir un consortium international de recherche, la Suisse aurait naturellement vocation à accueillir ce super Blue Brain si elle est sélectionnée d’ici à 2012.

Les chances sont bonnes. Des laboratoires d’Espagne, de Hongrie, du Royaume-Uni, d’Allemagne, d’Italie, de France, de Suède, ainsi que d’Israël et des Etats-Unis, ont déjà rejoint un consortium qui pourrait compter jusqu’à 100 laboratoires et 50 entreprises pharmaceutiques et informatiques car la compréhension des circuits cérébraux est de nature à révolutionner la manière dont sont conçus les ordinateurs. Et dans les documents internes de l’Union européenne sur les programmes «flagships», c’est le projet de Henry Markram qui est cité en exemple…

Fabrice Delaye
Fabrice Delaye

JOURNALISTE

Lui écrire

Fabrice Delaye a découvert Internet le 18 juillet 1994 sur les écrans des inventeurs du Web au CERN. La NASA diffusait ce jour-là les images prises quasi en direct par Hubble de la collision de la comète Shoemaker-Levy sur la planète Jupiter…Fasciné, il suit depuis ses intuitions sur les autoroutes de l’information, les sentiers de traverse de la biologie et étend ses explorations de la microélectronique aux infrastructures géantes de l’énergie.

L’idée ? Montrer aux lecteurs de Bilan les labos qui fabriquent notre futur immédiat; éclairer les bases créatives de notre économie. Responsable de la rubrique techno de Bilan depuis 2006 après avoir été correspondant de L’Agefi aux Etats-Unis en association avec la Technology Review du MIT, Fabrice Delaye est diplômé de l’Institut d’Etudes Politiques de Paris et de l’EPFL.

Membre du jury des SwissICT Awards, du comité éditorial de la conférence Lift et expert auprès de TA-Swiss à l’Académie Suisse des Arts et des Sciences, Fabrice Delaye est l’auteur de la première biographie du président de l’EPFL, Patrick Aebischer.

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