07 décembre 2023 (Projecteur Nanowerk) Les tentatives visant à concevoir des rétines artificielles dotées des capacités visuelles de l’œil humain se sont heurtées à des défis persistants. Bien que prometteur en théorie, la reproduction de la structure complexe et de l’efficacité énergétique de la vision naturelle ne s’est pas révélée simple en pratique. Les efforts antérieurs dans ce sens ont échoué sur plusieurs points clés. Aujourd'hui, en s'appuyant sur des innovations récentes en matière de matériaux, des chercheurs de l'Université Sungkyunkwan en Corée rapportent des progrès substantiels sur ce problème persistant grâce au développement d'une rétine artificielle flexible en forme de fibre présentant étroitement les propriétés de son analogue biologique. Tirant parti des avancées récentes dans le domaine de l’électronique douce et des matériaux organiques-inorganiques, leur dispositif photonique marque un progrès majeur vers une vision artificielle durable et de faible consommation. L'équipe rapporte ses conclusions dans Matériaux fonctionnels avancés (« Rétines artificielles bio-inspirées basées sur une hétérostructure fibreuse inorganique-organique pour la vision neuromorphique »). La nouvelle recherche se concentre sur la construction d'un dispositif synaptique artificiel qui reproduit la forme et les fonctions des neurones de la rétine humaine. La rétine tapisse l’intérieur de l’œil et contient des cellules photoréceptrices qui détectent la lumière. Ces cellules se connectent synaptiquement aux neurones en aval en couches qui prétraitent les stimuli visuels en signaux codés. Les cellules ganglionnaires transmettent ensuite ces signaux via de longues fibres nerveuses regroupées dans le nerf optique pour une analyse plus approfondie dans le cortex visuel du cerveau. L'émulation de ce processus biologique complexe nécessite des matériaux avancés et une ingénierie minutieuse.
Structures neuronales des rétines et synapses artificielles photoniques fibreuses. a) Schémas de (i) un œil humain, (ii) la structure et la fonction des neurones optiques dans une rétine, et (iii) une synapse biologique. b) Schémas de (i) la structure d'un réseau FPAS, (ii) la structure et la fonction de chaque couche dans un seul FPAS, et (iii) une hétérojonction organique-inorganique dans un FPAS. c) Un schéma de la structure et de la fonction comparatives de la rétine humaine et du FPAS. Les couches de détection de lumière (ZnO NR) correspondent à des cellules photoréceptrices. La couche de déplétion, une couche intermédiaire formée par une hétérojonction ZnO NRS/PEDOT:PSS, est similaire à une cellule bipolaire, qui est un neurone intermédiaire. Le PEDOT:PSS, une couche de sortie, est similaire à une cellule ganglionnaire, qui est un neurone de sortie. Les électrodes en or sur fibre PU correspondent aux fibres du nerf optique. Le courant postsynaptique, jeCFP, est lu par le FPAS et le signal postsynaptique est lu par une fibre nerveuse optique. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) Les efforts antérieurs d'ingénierie des rétines artificielles ont incorporé des structures planaires rigides impropres à l'intégration avec l'intérieur arrière incurvé du globe oculaire. Les appareils flexibles étaient également confrontés à des limites. Par exemple, l’électronique douce antérieure reposait encore sur des architectures standard de transistors à effet de champ qui consomment une énergie considérable pendant le fonctionnement. Cela contrastait fortement avec la capacité innée de la rétine à convertir la lumière en signaux neuronaux sans source d'énergie externe. De plus, imiter les fibres groupées formant le nerf optique reste une difficulté constante.
La nouvelle rétine artificielle répond à ces défis persistants grâce à une composition et un design innovants. Il crée une hétérostructure verticale en superposant un réseau de nanotiges d'oxyde de zinc sensibles à la lumière du soleil sur une couche de polymère conducteur, du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS). Cette structure ne repose pas sur une surface plane mais s'enroule plutôt autour de la circonférence d'une fibre de polyuréthane pliable recouverte d'électrodes en or.
Remarquablement, lorsqu’il est exposé à la lumière UV, ce dispositif en forme de fibre peut moduler sa conductivité électrique pour imiter les fonctions essentielles des neurones et des synapses rétiniens sans avoir besoin d’aucune alimentation externe. Il fonctionne en modifiant la capture et la libération des porteurs de charge générés par les photons à la jonction entre les matériaux. Dans l’obscurité, les molécules d’oxygène absorbent les surfaces des nanotiges d’oxyde de zinc, capturant les électrons libres. Cela rend les nanotiges plus chargées positivement, analogues aux ions sodium entrant dans les cellules photoréceptrices biologiques. En revanche, l’exposition aux UV génère des paires électron-trou à l’intérieur des nanotiges, rapprochant fondamentalement leur état électrique de celui des cellules rétiniennes exposées à la lumière visible.
L’équipe de recherche a démontré comment ce mécanisme permet à la fibre rétinienne artificielle de présenter une plasticité à court terme et une potentialisation à long terme comme une synapse naturelle lorsqu’elle est soumise à divers stimuli optiques. Leur dispositif photonique pourrait également reproduire des fonctions biologiques, notamment la facilitation des impulsions appariées (la réponse améliorée aux impulsions rapprochées) et la plasticité dépendante du timing des pointes, adaptée à la durée, à l'intensité et à la fréquence des impulsions.
Remarquablement, la fibre rétinienne artificielle a conservé ses caractéristiques synaptiques clés même lorsqu'elle était fortement pliée, tordue en spirales autour d'un tube ou tissée dans un tissu. Sa robustesse provient des matériaux souples et durables permettant la construction de composants électroniques sur la plate-forme flexible en forme de fibre. Cette fiabilité ouvre la voie à l’intégration de la rétine artificielle dans les technologies portables.
Pour évaluer les capacités de perception permises par la conception de leurs synapses, les chercheurs ont fabriqué une grille 3×3 de fibres rétiniennes artificielles sur un substrat flexible. Ils ont découvert que le réseau pouvait détecter et mémoriser avec succès les modèles visuels projetés dessus à l’aide de pochoirs et de lumière ultraviolette. La force synaptique stockée de ces images s’est progressivement dégradée au fil du temps dans un autre biomimétisme frappant des processus de mémoire humaine. En surveillant la conductance électrique des fibres individuelles après exposition, les lettres imprimées sont restées détectables jusqu'à une minute après l'éclairage initial.
Les chercheurs ont également montré comment la lecture des réponses synaptiques du réseau pouvait servir de données d'entrée à un logiciel d'apprentissage automatique pour déduire avec précision la distance d'une source de lumière UV. Cette démonstration n’a exploité qu’une petite fraction de la puissance potentielle de traitement visuel inhérente à la grille rétinienne artificielle. Il illustre comment la combinaison d’un matériel de nouvelle génération imitant la perception biologique avec des algorithmes d’IA peut permettre des capacités sensorielles transformatrices.
La nouvelle rétine artificielle est confrontée à certaines limites dans sa dépendance à la lumière UV plutôt qu'aux longueurs d'onde visibles détectables par l'œil humain. Cependant, le concept fondamental pourrait être étendu à la réactivité visible en intégrant des nanomatériaux absorbant les photons appropriés à la technologie des nanotiges d'oxyde de zinc de base.
Plus important encore, en reproduisant fidèlement les fonctions, la connectivité et la durabilité des neurones rétiniens naturels dans un facteur de forme de fibre flexible, cette avancée fournit une plate-forme extraordinairement bien adaptée pour améliorer davantage la vision synthétique.
Structures neuronales des rétines et synapses artificielles photoniques fibreuses. a) Schémas de (i) un œil humain, (ii) la structure et la fonction des neurones optiques dans une rétine, et (iii) une synapse biologique. b) Schémas de (i) la structure d'un réseau FPAS, (ii) la structure et la fonction de chaque couche dans un seul FPAS, et (iii) une hétérojonction organique-inorganique dans un FPAS. c) Un schéma de la structure et de la fonction comparatives de la rétine humaine et du FPAS. Les couches de détection de lumière (ZnO NR) correspondent à des cellules photoréceptrices. La couche de déplétion, une couche intermédiaire formée par une hétérojonction ZnO NRS/PEDOT:PSS, est similaire à une cellule bipolaire, qui est un neurone intermédiaire. Le PEDOT:PSS, une couche de sortie, est similaire à une cellule ganglionnaire, qui est un neurone de sortie. Les électrodes en or sur fibre PU correspondent aux fibres du nerf optique. Le courant postsynaptique, jeCFP, est lu par le FPAS et le signal postsynaptique est lu par une fibre nerveuse optique. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) Les efforts antérieurs d'ingénierie des rétines artificielles ont incorporé des structures planaires rigides impropres à l'intégration avec l'intérieur arrière incurvé du globe oculaire. Les appareils flexibles étaient également confrontés à des limites. Par exemple, l’électronique douce antérieure reposait encore sur des architectures standard de transistors à effet de champ qui consomment une énergie considérable pendant le fonctionnement. Cela contrastait fortement avec la capacité innée de la rétine à convertir la lumière en signaux neuronaux sans source d'énergie externe. De plus, imiter les fibres groupées formant le nerf optique reste une difficulté constante.
La nouvelle rétine artificielle répond à ces défis persistants grâce à une composition et un design innovants. Il crée une hétérostructure verticale en superposant un réseau de nanotiges d'oxyde de zinc sensibles à la lumière du soleil sur une couche de polymère conducteur, du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS). Cette structure ne repose pas sur une surface plane mais s'enroule plutôt autour de la circonférence d'une fibre de polyuréthane pliable recouverte d'électrodes en or.
Remarquablement, lorsqu’il est exposé à la lumière UV, ce dispositif en forme de fibre peut moduler sa conductivité électrique pour imiter les fonctions essentielles des neurones et des synapses rétiniens sans avoir besoin d’aucune alimentation externe. Il fonctionne en modifiant la capture et la libération des porteurs de charge générés par les photons à la jonction entre les matériaux. Dans l’obscurité, les molécules d’oxygène absorbent les surfaces des nanotiges d’oxyde de zinc, capturant les électrons libres. Cela rend les nanotiges plus chargées positivement, analogues aux ions sodium entrant dans les cellules photoréceptrices biologiques. En revanche, l’exposition aux UV génère des paires électron-trou à l’intérieur des nanotiges, rapprochant fondamentalement leur état électrique de celui des cellules rétiniennes exposées à la lumière visible.
L’équipe de recherche a démontré comment ce mécanisme permet à la fibre rétinienne artificielle de présenter une plasticité à court terme et une potentialisation à long terme comme une synapse naturelle lorsqu’elle est soumise à divers stimuli optiques. Leur dispositif photonique pourrait également reproduire des fonctions biologiques, notamment la facilitation des impulsions appariées (la réponse améliorée aux impulsions rapprochées) et la plasticité dépendante du timing des pointes, adaptée à la durée, à l'intensité et à la fréquence des impulsions.
Remarquablement, la fibre rétinienne artificielle a conservé ses caractéristiques synaptiques clés même lorsqu'elle était fortement pliée, tordue en spirales autour d'un tube ou tissée dans un tissu. Sa robustesse provient des matériaux souples et durables permettant la construction de composants électroniques sur la plate-forme flexible en forme de fibre. Cette fiabilité ouvre la voie à l’intégration de la rétine artificielle dans les technologies portables.
Pour évaluer les capacités de perception permises par la conception de leurs synapses, les chercheurs ont fabriqué une grille 3×3 de fibres rétiniennes artificielles sur un substrat flexible. Ils ont découvert que le réseau pouvait détecter et mémoriser avec succès les modèles visuels projetés dessus à l’aide de pochoirs et de lumière ultraviolette. La force synaptique stockée de ces images s’est progressivement dégradée au fil du temps dans un autre biomimétisme frappant des processus de mémoire humaine. En surveillant la conductance électrique des fibres individuelles après exposition, les lettres imprimées sont restées détectables jusqu'à une minute après l'éclairage initial.
Les chercheurs ont également montré comment la lecture des réponses synaptiques du réseau pouvait servir de données d'entrée à un logiciel d'apprentissage automatique pour déduire avec précision la distance d'une source de lumière UV. Cette démonstration n’a exploité qu’une petite fraction de la puissance potentielle de traitement visuel inhérente à la grille rétinienne artificielle. Il illustre comment la combinaison d’un matériel de nouvelle génération imitant la perception biologique avec des algorithmes d’IA peut permettre des capacités sensorielles transformatrices.
La nouvelle rétine artificielle est confrontée à certaines limites dans sa dépendance à la lumière UV plutôt qu'aux longueurs d'onde visibles détectables par l'œil humain. Cependant, le concept fondamental pourrait être étendu à la réactivité visible en intégrant des nanomatériaux absorbant les photons appropriés à la technologie des nanotiges d'oxyde de zinc de base.
Plus important encore, en reproduisant fidèlement les fonctions, la connectivité et la durabilité des neurones rétiniens naturels dans un facteur de forme de fibre flexible, cette avancée fournit une plate-forme extraordinairement bien adaptée pour améliorer davantage la vision synthétique.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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