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Des bactéries résistantes aux radiations

© DR / KAERI / A. De Groot

Des rayons nocifs
La radioactivité se caractérise par l'émission de rayonnements alpha, bêta et gamma. Les dommages induits par ces rayonnements ionisants ...

Le nouvel or vert

Fabien Esculier, chercheur à l’École des Ponts ParisTech, a récemment publié les résultats de ses recherches portant sur une gestion alternative des urines et matières fécales. Ces recherches font partie du programme OCAPI (Optimisation des cycles Carbone, Azote et Phosphore en ville) qui ...

BepiColombo

(C) ESA. BepiColombo
La mission spatiale BepiColombo, lancée le 20 octobre 2018, depuis le Centre Spatial de Kourou en Guyane, se dirige vers Mercure.

Deux orbiteurs pour étudier Mercure

Après les sondes américaines Mariner10 en 1973 et Messenger ...

Lasers à l'honneur pour le Prix Nobel 2018

Arthur Ashkin a été primé pour l'invention des «pinces optiques», dont le principe repose sur l'utilisation des forces liées à la réfraction d’un faisceau laser en milieu transparent. Cette force va alors permettre de maintenir et de déplacer des objets microscopiques, voire ...

L'enjeu des débris spatiaux

Des débris dangereux qui s'accumulent

Depuis le lancement de Spoutnik 1 en 1957, le nombre de satellites artificiels en orbite autour de la Terre n'a cessé de croître. En 61 ans, on compte plus de 5000 lancements d'engins dans l'espace. Actuellement, quelque 1500 satellites sont actifs ...

Lidar au service du climat

L'altimétrie satellitaire

Le satellite ICESat-2 a été mis en orbite à une altitude de 466 km, avec à son bord le système ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System). Ce système d'altimétrie par satellite va analyser l'état des calottes polaires ...

Fin de partie pour les lampes halogènes

Pourquoi en finir avec les halogènes ?

À cause de leur durée de vie assez courte (2000 heures en moyenne) et d'une efficacité lumineuse médiocre, les lampes halogènes sont devenues obsolètes, dans un contexte où la sobriété énergétique ...

Titan Krios

Une technologie de pointe pour visualiser des composantes microscopiques

Le Titan KriosTM est un microscope électronique doté d'une caméra ultrasophistiquée, capable de fournir des images révolutionnaires par leur résolution. Grâce à un grossissement de plusieurs millions, ce microscope permet de "voir" à l'échelle atomique (de l'ordre du dixième de nanomètre). Le Titan KriosTM n'est pas seulement impressionnant par ses performances sur le plan de l'imagerie : il est aussi totalement automatisé et peut traiter en simultané jusqu'à 12 échantillons. Il fournit des données numériques, à très haut débit : en une journée, le Titan KriosTM peut acquérir jusqu'à un téraoctet d'images, ce qui va du reste représenter un défi en termes de stockage informatique.

Le Titan KriosTM utilise la technologie de cryo-microscopie électronique, qui consiste à porter à -180°C les échantillons à étudier pour les protéger et les observer au plus près de leurs conditions naturelles. Développée dans les années 80, cette technique de microscopie électronique est beaucoup plus rapide et moins risquée que les méthodes traditionnelles qui présentaient des risques importants de dénaturation des protéines fragiles ou instables. Son développement a valu à ses créateurs le prix Nobel de chimie en 2017. 

Une infrastructure inédite

Le premier modèle de Titan KriosTM a été créé en 2008 par Thermo ScientificTM KriosTM Cryo-TEM en collaboration avec le Max Planck Institute of Biochemistry en Allemagne. Mais c'est une nouveauté que de l'installer en milieu urbain, ce qui fait du modèle inauguré ce jour l'un des plus grands (d'une hauteur de près de 4m) et des plus puissants microscopes implanté en ville dans le monde. Son installation a nécessité de nombreux aménagements, notamment un bâtiment dédié, le bâtiment Nocard, avec son propre système d'aération pour garantir un environnement stable (température, taux d'humidité, vibration et source d'azote constants), ainsi que des murs intérieurs blindés pour échapper à tous les champs magnétiques extérieurs (dus au métro, aux téléphones ou au wifi par exemple).

Un atout pour la recherce médicale

Ces intallations vont permettre de créer une gigantesque bibliothèque d'images 3D de virus, de composants cellulaires ou de complexes de protéines. Grâce à ces données biologiques, les spécialistes vont pouvoir en savoir plus sur le fonctionnement et le développement de ces structures. Ces moyens d'observation pourraient ainsi conduire à des avancées dans de nombreuses disciplines, telles l'immunologie, les neurosciences, la biologie cellulaire, la bactériologie, la virologie, la parasitologie. Par exemple, ils pourraient contribuer à la conception de nouvelles stratégies pour la prévention des virus notamment. 

Publié le 13/07/2018

En savoir plus : document de presse de l'Institut Pasteur

Crédit image : Cryomicroscope électronique à balayage en transmission de 300 kV FEI Titan Krios, doté d’un filtre d’image Gatan (GIF), mention source : Tom Inoue (https://navigator.innovation.ca/fr/facility/mcgill-university/installation-de-recherche-en-microscopie-electronique)

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Vers des réseaux de synapses artificiels
Une synapse électronique capable d'apprentissage a été créée, avec en vue la création de systèmes tels que des caméras économes en énergie.

La mémoire et la synapse

Dans le cerveau, les informations sont transmises par des signaux électriques véhiculés par les neurones. Ces cellules sont connectées entre elles grâce à des synapses, dont les caractéristiques sont modulées en fonction des impulsions qu'elles reçoivent. Ainsi, une stimulation régulière provoque un renforcement des connexions synaptiques dans le temps. Ces modifications moléculaires sont appelées potentialisations à long terme.

Dans l'hippocampe, siège de la mémoire, cette capacité de la synapse à adapter sa résistance participe à la capacité d'apprentissage des êtres vivants. Les neurones de cette zone, très plastiques, renforcent les connexions qui reçoivent des influx nerveux. Cette augmentation de l'efficacité peut durer de plusieurs heures à plusieurs semaines. Dans une démarche de biomimétisme, l'électronique peut reprendre les principes de fonctionnement du vivant pour créer des synapses artificielles.

Le memristor, synapse artificielle

S'inspirant de ce mécanisme, une équipe de scientifiques a créé une synapse artificielle sur une puce électronique, le flux d'électrons jouant le rôle des neurotransmetteurs. Ils ont appliqué le principe du memristor, dont la force de résistance varie en fonction du courant qui le traverse et imite donc le fonctionnement de son équivalent biologique. Le nanocomposant électronique, formé d'une fine couche ferroélectrique prise en sandwich entre deux électrodes, garde en mémoire les tensions électriques qui lui ont été appliquées.

Les scientifiques ont également développé un modèle physique qui explicite cette capacité d'apprentissage autonome et prédit son fonctionnement. Ces travaux ouvrent la voie à la création d'un réseau de synapses moins énergivores que ceux utilisés actuellement dans certains algorithmes de reconnaissance d'images. De plus, l'étude de ces modèles va permettre de créer des architectures électroniques de plus en plus complexes, comme des ensembles de neurones artificiels interconnectés par ces memristors.

Des systèmes d'apprentissage bio-inspirés

De tels réseaux pourraient révolutionner l'apprentissage profond des machines, le deep learning, en devenant l'une des briques d'un futur cerveau artificiel qui répliquerait les capacités d'un cerveau du monde vivant. Ainsi, après avoir étudié ce comportement dynamique à l'échelle d'un memristor, les chercheur·euse·s ont simulé l'apprentissage non-supervisé d'un réseau artificiel composé de quarante-cinq memristors pour la reconnaissance de formes simples.

Ces travaux sont à la base d'un nouveau type de caméra destiné à la reconnaissance de formes en temps réel, qui n'active ses pixels que si la scène présente dans l'angle de vision est modifiée. Les architectures électroniques nouvelles seraient plus efficaces dans les tâches d'apprentissage, non pour remplacer totalement l'architecture traditionnelle des micro-processeurs mais pour les compléter. Dans le cadre du projet européen ULPEC H2020 visant à concevoir une caméra bio-inspirée, les scientifiques du CNRS envisagent de traiter l'information reçue par un réseau de neurones d'environ mille memristors.

En savoir plus

La synapse, sur Le cerveau à tous les niveaux

Fonctionnement d'une synapse, sur Sciences en ligne

Quatre questions sur le cerveau, sur Sciences en ligne

Des machines qui parlent entre elles ?, sur Sciences en ligne

Des synapses électroniques capables d'apprendre : vers un cerveau artificiel ?, communiqué de presse du CNRS

Arthur Jeannot
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