Comment nager sans cerveau : un potentiel pour les nanorobots médicaux
De nombreux micro-organismes peuvent se déplacer dans les liquides de manière ciblée. Comment y parviennent-ils sans système nerveux complexe ?
Les bactéries le font, les amibes le font, même les cellules sanguines le font : elles ont toutes la capacité de se déplacer de manière ciblée dans des liquides. Et elles y parviennent malgré des structures extrêmement simples, dépourvues de système de contrôle central (tel qu'un cerveau). Comment expliquer cela ? Une équipe de la TU Wien, de l'université de Vienne et de l'université Tufts (États-Unis) a simulé ce type de mouvement sur un ordinateur et a pu montrer que les mouvements de nage sont possibles même en l'absence d'une unité de commande centrale. Cela explique non seulement le comportement des micro-organismes, mais pourrait également permettre aux nanorobots de se déplacer de manière ciblée, par exemple pour transporter des médicaments au bon endroit dans le corps.
Un succès même sans système de contrôle central
"On peut imaginer que les micro-organismes simples sont composés de plusieurs parties, un peu comme un collier de perles", explique Benedikt Hartl, de l'Institut de physique théorique de l'Université de Vienne et du Allen Discovery Center de l'Université de Tufts, auteur principal de la présente publication. "Les différentes parties peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. Nous voulions savoir dans quelles circonstances il en résulte un mouvement qui entraîne l'organisme entier dans la direction souhaitée".
Cette question est relativement simple s'il existe un système de contrôle central - quelque chose comme un cerveau ou au moins un centre nerveux. Un tel centre peut donner des ordres spécifiques aux différentes parties de l'organisme. Il est facile de comprendre comment cela peut aboutir à un mouvement coordonné.
Mais un organisme unicellulaire n'a naturellement pas de cellules nerveuses, pas de système de traitement central qui pourrait donner des ordres. Comment est-il possible, dans ce cas, d'obtenir un mouvement de nage coordonné ? Si les différentes parties du micro-organisme se comportent toutes selon des règles très simples, cela peut-il déboucher sur un comportement collectif conduisant à une nage efficace ?
Micro-organismes simulés sur ordinateur
Cette question a été étudiée à l'aide de simulations informatiques : les micro-organismes ont été modélisés comme des chaînes de billes interconnectées. Chacune de ces billes peut exercer une force vers la gauche ou la droite, mais chaque bille ne connaît que la position de ses voisins immédiats. Elle ne connaît pas l'état général de l'organisme ni les billes plus éloignées.
"La question cruciale qui se pose maintenant est la suivante : existe-t-il un système de contrôle ? Existe-t-il un système de contrôle, un ensemble de règles simples, une stratégie comportementale que chaque perle peut suivre individuellement afin qu'un mouvement de nage collectif émerge, sans unité de contrôle centrale ?
Sur l'ordinateur, les perles individuelles - les parties simulées du micro-organisme virtuel - ont été équipées d'une forme très simple d'intelligence artificielle, un minuscule réseau neuronal avec seulement 20 à 50 paramètres, explique Hartl : "Le terme de réseau neuronal est peut-être quelque peu trompeur dans ce contexte ; bien sûr, un organisme unicellulaire n'a pas de neurones. Mais de tels systèmes de contrôle simples peuvent être mis en œuvre à l'intérieur d'une cellule, par exemple, au moyen de circuits physico-chimiques très simples qui amènent une zone spécifique du micro-organisme à effectuer un mouvement spécifique."
Ce système de contrôle décentralisé simple a été adapté à l'ordinateur afin de trouver le "code de contrôle" le plus efficace possible pour obtenir le meilleur comportement de nage. Avec chaque version de ce système de contrôle, le micro-organisme virtuel a été autorisé à nager dans un fluide visqueux simulé.
"Nous avons pu montrer que cette approche extrêmement simple est suffisante pour produire un comportement de nage très robuste", explique Benedikt Hartl. "Bien que notre système n'ait pas de contrôle central et que chaque segment du micro-organisme virtuel se comporte selon des règles très simples, le résultat global est un comportement complexe qui est suffisant pour une locomotion efficace".
Biologie et technologie
Ce résultat n'est pas seulement intéressant parce qu'il explique le comportement complexe de systèmes biologiques très simples, il pourrait également être intéressant pour les nanorobots produits artificiellement : "Cela signifie qu'il serait également possible de créer des structures artificielles capables d'effectuer des tâches complexes avec une programmation très simple", explique Andreas Zöttl (Université de Vienne). "Il serait concevable, par exemple, de construire des nanorobots qui recherchent activement la pollution pétrolière dans l'eau et aident à l'éliminer. Ou encore des nanorobots médicaux qui se déplacent de manière autonome vers des endroits spécifiques du corps pour libérer un médicament de manière ciblée."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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