Les « sciences computationnelles », nouvelle frontière pour la connaissance ?

Bénéficiant des avancées des mathématiques et de la puissance de calcul croissante des ordinateurs, les « sciences computationnelles » permettent de réduire la complexité des problèmes. Et de traiter de nouvelles questions, jusqu’alors inaccessibles pour les scientifiques. A la clé, des retombées potentielles majeures dans une foule de domaines.
 
L’imagerie médicale et la santé, les nouveaux matériaux, l’industrie électronique, les interfaces homme-machine… Les « sciences computationnelles » sont en passe de changer la donne dans une foule de domaines. Issues des progrès récents des mathématiques associés à la puissance de calcul exponentielle des ordinateurs, elles permettent aux chercheurs de s’attaquer à des problèmes toujours plus complexes. Au point d’offrir un véritable changement de paradigme scientifique. Et de former désormais une discipline à part entière.
 
Les sciences computationnelles sont un champ de recherche des neurosciences qui s'applique à découvrir les principes computationnels des fonctions cérébrales et de l'activité neuronale, c'est-à-dire des algorithmes génériques qui permettent de comprendre l'implémentation dans notre système nerveux central de nos fonctions cognitives. Ce but a été défini en premier lieu par David Marr dans une série d'articles fondateurs (Source : Wikipédia).
On essaie de comprendre le cerveau à l'aide des modèles des sciences informatiques combinés à l'expérimentation et aux simulations numériques.
Les sciences computationnelles visent donc à développer des méthodes de calcul pour mieux comprendre les relations complexes entre la structure et la fonction du cerveau et du système nerveux en général. Outre une meilleure connaissance de la cognition et de ses dysfonctionnements, cette démarche permet d'appliquer un transfert de ces connaissances neuroscientifiques en proposant de nouvelles méthodes de traitement de l'information et des dispositifs technologiques innovants. Elle peut s'appliquer à différents niveaux de description, de la molécule au comportement, et nécessite l'intégration constructive de nombreux domaines disciplinaires, des sciences du vivant à la modélisation.
 
Les sciences computationnelles proposent ainsi une nouvelle démarche scientifique. Se développant progressivement du besoin de résoudre des problèmes de plus en plus ambitieux, les sciences computationnelles commencent à s'imposer comme une discipline à part entière.
 
Dans ce domaine, IMT Atlantique est particulièrement bien placé. L’école dispose en effet, au sein de son département micro-ondes, à Brest, d’un laboratoire dédié, le CERL (« Computational Electromagnetics Research Laboratory »), créé en 2015 par le professeur Francesco Andriulli. Pluridisciplinaire, le CERL réunit une dizaine de chercheurs venus d’horizons variés : mathématiciens, neurologues, spécialistes du calcul à haute performance…
« Ces dernières années, la puissance de calcul informatique a énormément augmenté, alors que les coûts ont baissé, explique Francesco Andriulli. On a pu réduire les temps de calcul, et multiplier les dispositifs « temps réel ». De plus, depuis les années 1970-1980, les techniques mathématiques ont progressé. Résultat, la capacité de modélisation est devenue très élevée. »
Les scientifiques ont ainsi pu traiter des problèmes toujours plus ardus, comportant de nombreuses variables.
 
Le CERL a donc élaboré un modèle mathématique très performant, qui permet de réduire la complexité « computationnelle » d’un problème - une question qui mobilise plusieurs équipes dans le monde, à Yale, au MIT, à Polytechnique…. « La voie que nous avons choisie est très efficace, souligne l’enseignant.Quand un problème est deux fois plus complexe qu’un autre, le coût pour le résoudre avec un ordinateur est normalement huit fois plus élevé ; avec notre technologie, ce coût est seulement doublé. Et ainsi de suite… »
 
Les retombées peuvent être considérables dans nombre de domaines. A Brest, le CERL étudie notamment la propagation des ondes électromagnétiques en milieux complexes - à l’instar du cerveau humain. L’équipe utilise pour cela une sorte de casque muni de 256 capteurs, qui mesurent l’activité des différentes zones cérébrales. De quoi améliorer le diagnostic et obtenir de nouvelles techniques d’imagerie. « Le signal électrique suit un parcours spécifique entre les cellules neuronales. On peut ainsi obtenir une image très précise, et bien moins onéreuse qu’avec l’IRM », indique Francesco Andriulli.
 

De multiples pistes prometteuses (inter)

 
Cette « visite virtuelle » du cerveau permettrait de traiter des pathologies diverses : épilepsie, obsessions, troubles de l’attention, dépressions… Elle pourrait aussi être utilisée pour certaines maladies - notamment les maladies optiques. L’équipe du CERL envisage aussi de recourir au « neuro-feedback », qui consiste à faire enchaîner au patient des pensées spécifiques pour lutter contre certains troubles - une méthode qui s’apparente aux techniques de relaxation ou à la « pensée positive ». De nouvelles interfaces homme-machine pourraient également voir le jour, permettant par exemple de commander un ordinateur ou un fauteuil roulant par la pensée.
 
Dans le domaine industriel, les retombées sont aussi potentiellement très importantes. Ainsi, pour savoir si un téléphone mobile va augmenter la température du cerveau : « Traditionnellement, il faut fabriquer un prototype pour mesurer l’échauffement, expose Francesco Andriulli. C’est coûteux et cela prend beaucoup de temps. Avec l’ingénierie computationnelle, on voit d’emblée comment le modèle va rayonner. »
Les autres pistes prometteuses ne manquent pas : conception et caractérisation de circuits électroniques, conception de « méta-matériaux », d’antennes à très haut débit, de radars… L’équipe du CERL pourrait également lancer plusieurs startups.
« On peut ainsi avoir recours à l’électromagnétisme computationnel chaque fois que le réel est inaccessible - que ce soit le cerveau humain, le soleil, ou même l’intérieur d’une pyramide, qui peut faire l’objet d’une visite virtuelle. En réalité, les sciences computationnelles sont présentes partout », s’enthousiasme le chercheur.
 
Signe de la qualité de ses travaux, le CERL a obtenu récemment de l’Union européenne un financement de 2 millions d’euros sur cinq ans pour produire un algorithme qui sera mis en ligne et accessible à tous, dans une logique d’open source.
« IMT Atlantique est le bon endroit pour plancher sur ces sujets, assure Francesco Andriulli. L’accent y est mis sur la recherche scientifique, et celle-ci est très présente dans la formation des jeunes ingénieurs, dès la 1ère année du cursus. C’est un endroit idéal pour attirer de jeunes chercheurs. »
 
Source : Francesco P. Andriulli, Responsable du laboratoire CERL - Professeur au département Micro-ondes IMT Atlantique