Comment la lumière va révolutionner l’informatique et la médecine

lumière

En 1905, Einstein émettait sa fameuse « hypothèse des quanta » qui faisait de la lumière un phénomène constitué de minuscules grains d’énergie. Mais il fallut attendre Compton en 1926 pour que ces « quanta » ne prennent le nom moderne de photons et Paul Dirac, en 1927, pour disposer d’une théorie physique complète qui fasse la synthèse entre les propriétés ondulatoires et corpusculaires de la lumière.

L’une des ruptures technologiques majeures issues de ces avancées de la physique fut l’invention du laser (Amplification Lumineuse par Emission Stimulée de Radiation) en 1960 par le physicien américain Theodore Maiman.

Dix ans plus tard, en 1970, trois scientifiques américains, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications. Cette première fibre optique pouvait déjà transporter 65 000 fois plus d’informations qu’un câble de cuivre !

Depuis un demi-siècle, les progrès en matière de débit optique ont été phénoménaux : Alcatel-Lucent et British Telecom (BT) ont annoncé en juillet 2013 avoir atteint les 31 térabits par seconde (31 000 milliards de bits) sur 7 200 kilomètres. Mais déjà ces mêmes équipes de recherche travaillent sur le développement d’une nouvelle technologie issue du laboratoire Kastler Brossel, à Paris et visant les 300 térabits/seconde en 2020 !

En février 2014, des chercheurs d’IBM ont réussi, en utilisant des nouveaux lasers VCSEL, à transmettre des données à un débit par canal de 64 Gb/s sur un câble optique de 57 mètres de long à l’aide d’un laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), ce qui multiplie par deux et demi les meilleurs débits actuels (Voir IBM). A une telle vitesse, l’intégralité d’un disque Blu-ray de 50 Go peut donc être transférée en une seconde.

Mais pour exploiter pleinement ces débits vertigineux d’informations que vont permettre ces futurs réseaux optiques, les géants de l’électronique et de l’informatique planchent également sur le développement de puces optiques, comme l’holey optoschip d’IBM, présentée en 2012.

Cette première puce nanophotonique complète, pouvant traiter à la fois des signaux optiques et électriques, devrait permettre à terme de multiplier par quarante la vitesse de transfert des informations entre les différents composants d’un supercalculateur. Dans ce composant, les chercheurs espèrent superposer 50 voies en parallèle, ce qui permettra d’augmenter la bande passante à un Térabit/seconde, contre 25 Gbits/seconde pour l’instant.

Ces avancées combinées de la photonique, dans le domaine de la transmission mais aussi dans celui des circuits, composants et interfaces vont avoir des conséquences majeures sur la rapidité et la puissance de calcul des futurs superordinateurs hexaflopiques qui pourront, d’ici 10 ans, échanger des informations cent fois plus rapidement qu’aujourd’hui !

Grâce à cette convergence technologique, nous allons donc basculer, d’ici 2025, vers un Internet optique ultrarapide en comparaison duquel notre Web d’aujourd’hui  fera figure d’escargot… Sur ce réseau qui exploitera pleinement les potentialités de l’optique et de la photonique, l’immersion virtuelle sera devenue banale et chaque foyer disposera d’un débit 1000 fois plus important que le débit standard actuel.

Mais après avoir été le vecteur d’une révolution technologique sans précédent dans le domaine des télécommunications et des technologies numériques, la lumière est également en train de s’imposer depuis quelques années comme un nouvel outil incomparable dans les sciences de la vie, tant sur le plan thérapeutique que dans le domaine de la recherche fondamentale.

C’est ainsi que depuis quelques années, des chercheurs britanniques du Royal Free Hospital de Londres, en Grande-Bretagne, dirigés par le professeur Mohammed Keshtgar, utilisent la thérapie photodynamique (PDT) contre certains types de cancer du sein. Cette technique encore récente mais riche d’immenses perspectives consiste à injecter un médicament dans une tumeur pour la rendre photosensible, c’est-à-dire sensible à certaines longueurs d’onde lumineuse.

Dans un deuxième temps, un faisceau laser est introduit dans la tumeur à l’aide d’une aiguille et vient la détruire en émettant précisément une lumière qui correspond à la longueur d’onde à laquelle ont été sensibilisées les cellules cancéreuses.

Le professeur Moghissi est devenu célèbre en Grande-Bretagne après avoir utilisé avec succès la thérapie photodynamique pour traiter le cancer du poumon d’une patiente de 71 ans, Aine Shaw, dont la tumeur était inopérable, compte tenu du mauvais état de ses poumons. 10 ans après l’intervention, le cancer de cette patiente n’a pas récidivé et Aine Shaw aime à souligner que ce traitement ne lui a provoqué ni fatigue ni douleur.

Aujourd’hui, ce nouvel outil thérapeutique n’est utilisé en Grande-Bretagne que pour certains cancers (tête, cou, poumon ou œsophage) mais de nombreux médecins et chercheurs sont convaincus que cette technique prometteuse et peu coûteuse peut être étendue à d’autres cancers.

En France, depuis  2011, le professeur Abdel-Rahmene Azzouzi, qui travaille au CHU d’Angers, utilise également la  photothérapie dynamique contre certains cancers de la prostate. Les premiers résultats d’une étude internationale d’évaluation ont confirmé l’efficacité de cette technique qui réduit sensiblement les effets secondaires. Chantre infatigable de cette technique chirurgicale novatrice, le chef de service d’urologie du CHU Angers l’enseigne à présent aux  États-Unis ou il est reconnu comme un pionnier en matière de recherche chirurgicale.

La thérapie photodynamique est également utilisée dans le traitement de certains cancers de l’œsophage ou du pancréas et deviendra très probablement dans les années à venir un nouvel outil incontournable d’intervention chirurgicale contre de multiples formes de cancer.

Encore plus récente que la thérapie photodynamique, l’optogénétique est née il y a à peine une quinzaine d’années sous l’impulsion des remarquables travaux du chercheur autrichien Gero Miesenböck qui, le premier, est parvenu à transférer dans des neurones de rat le gène codant d’une protéine, la rhodopsine, qui présente la propriété singulière de réagir à la lumière. Ainsi modifiés, ces neurones de rat deviennent eux-mêmes sensibles à certaines longueurs d’onde lumineuse qui vont provoquer chez ces cellules nerveuses des variations d’activité électrique…

Fin 2012, des chercheurs américains de Stanford sont parvenus, en utilisant l’optogénétique à provoquer et à soulager la dépression chez des souris en contrôlant une zone unique de leur cerveau, l’aire tegmentale ventrale (ATV) (voir Nature).

Comme le souligne le professeur Karl Deisseroth, qui a dirigé ces travaux, «Nous avons pour la première fois fait le lien entre les neurones dopaminergiques de l’aire tegmentale ventrale et le contrôle de symptômes très différents et variés de la dépression».

Concrètement, la stimulation lumineuse transmise aux neurones dopaminergiques de souris génétiquement modifiées pour être dépressives, permet de contrer les symptômes de cet état dépressif et redonne à ces rongeurs la motivation nécessaire pour faire face à des situations stressantes. Ces résultats sont d’autant plus intéressants qu’ils semblent liés à un seul type de neurones dans une région du cerveau unique qui contrôle l’inhibition ou le déclenchement des différents symptômes de la dépression.

En juin 2013, une autre équipe de recherches du MIT, dirigée par Eric Burguière, chercheur à l’Inserm, a montré qu’il était possible de diminuer les symptômes d’un trouble obsessionnel compulsif – TOC – chez la souris en utilisant l’optogénétique. En stimulant à l’aide de longueurs d’onde lumineuse précises certains groupes de neurones particuliers dans le cerveau, les chercheurs ont rétabli un comportement normal chez des souris présentant  des comportements répétitifs pathologiques comparables à ceux observés chez les patients atteints de TOC.

Toujours en juin 2013, des chercheurs israéliens du Technion de Haïfa ont expérimenté une technique d’optogénétique qui permet de restaurer en partie la vision chez certaines personnes aveugles à la suite d’une maladie dégénérative de la rétine. Ces scientifiques ont modifié le génome de certains types de neurones de manière à leur faire exprimer des canaux ioniques photosensibles semblables à ceux que l’on trouve dans les photorécepteurs de la rétine.

Ces chercheurs vont à présent tenter d’utiliser des projections holographiques pour provoquer une activité cellulaire semblable à celle d’une rétine intacte et permettre à ces personnes aveugles de retrouver la vision. Pour tester leur hypothèse, ces scientifiques travaillent sur la conception de lunettes équipées de micro caméras pouvant transmettre l’image en temps réel à de petits projecteurs holographiques.

En août 2013, l’équipe du professeur Tonegawa, du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a réussi pour sa part à utiliser l’optogénétique pour implanter des souvenirs artificiels dans le cerveau de souris. Comme le souligne le professeur Tonegawa, « nos travaux démontrent que la mémoire est dynamique et constructive par nature et que nos souvenirs ne sont donc pas de simples photographies qui seraient gravées dans notre mémoire comme sur un disque dur. Se remémorer un souvenir nécessite une reconstruction, susceptible d’induire des modifications. »

En avril 2014, l’équipe américaine de l’Ecole de médecine de Stanford, toujours conduite par  Karl Deisseroth, est parvenue à  utiliser l’optogénétique pour agir sur les cellules nerveuses, via les protéines, en les stimulant ou en les inhibant. Ces travaux ont montré qu’en utilisant certaines longueurs d’onde lumineuse, il était possible d’envoyer un flux d’ions positifs (stimulateurs) ou négatifs (inhibiteurs) et de contrôler ainsi le comportement de ces cellules.

Toujours en avril 2014, des scientifiques de l’University College de Londres, dirigés par Linda Greensmith, ont combiné l’emploi de cellules souches modifiées pour produire une protéine photosensible et optogénétique afin de contourner le système moteur central de souris dont les nerfs avaient été coupés. Ils ont ainsi pu atteindre des neurones moteurs individuels avec un laser et enclencher un mouvement des pattes des cobayes. Cette approche ouvre donc une nouvelle voie thérapeutique tout à fait fascinante pour traiter et peut-être vaincre à terme certains types de paralysie aujourd’hui incurables.

Même si pour l’instant ces techniques d’optogénétique restent essentiellement utilisées dans le domaine de la recherche fondamentale et permettent de mieux comprendre le fonctionnement complexe du cerveau, il ne fait aujourd’hui plus de doute que l’optogénétique deviendra demain un puissant outil thérapeutique qui permettra de traiter avec une efficacité aujourd’hui inconnue de nombreuses pathologies neurocérébrales et psychiatriques.

C’est en tout cas la conviction du professeur Merab Kokaia, de l’hôpital universitaire de Lund (Suède), qui est persuadé que l’optogénétique peut devenir un outil thérapeutique remarquable pour traiter certains troubles neurologiques, tels que certaines formes d’épilepsie sévère, pour lesquels il n’existe pas de traitements médicamenteux satisfaisants.

Il y a quelques semaines, des chercheurs de l’Université de Californie, à San Diego, ont réussi quant à eux à provoquer puis à supprimer la peur conditionnée chez des rats en utilisant l’optogénétique. Pour atteindre ce résultat, les chercheurs ont ciblé spécifiquement les terminaisons nerveuses qui arrivent sur les neurones de l’amygdale, une région du cerveau qui joue un rôle essentiel dans la mémoire associative.

Ces scientifiques ont soumis des rats à de légers chocs électriques pendant que leurs terminaisons nerveuses photosensibles étaient activées par un laser directement implanté dans leur cerveau et délivrant une dizaine d’impulsions lumineuses par seconde. Ces rongeurs ont alors associé cette stimulation interne et la décharge électrique et les chercheurs ont constaté qu’ils pouvaient déclencher une volonté la peur chez ces rats, simplement en activant le laser à la bonne fréquence…

Enfin, récemment, une autre équipe de recherche dirigée par Samer Hattar, professeur de biologie à la Johns Hopkins University aux Etats-Unis, a soumis des souris de laboratoire à des cycles de 3 heures et demi de lumière intense suivis de 3 heures et demi d’obscurité. Au bout de deux semaines, les rongeurs ont montré des signes de dépression ainsi qu’une élévation du cortisol, l’hormone du stress. Et leur capacité d’apprentissage s’est trouvée diminuée.

On voit donc que dans trois domaines clés, les télécommunications et l’informatique, les thérapies anticancéreuses et enfin la prise en charge des maladies neurologiques, des pathologies psychiatriques et de certains troubles du comportement, l’utilisation contrôlée de la lumière, rendue possible à la fois par notre connaissance des lois physiques fondamentales qui régissent le comportement du photon et par les extraordinaires progrès technologiques intervenus dans les domaines du laser et des composants optiques, est devenue le moteur d’une nouvelle révolution scientifique et technique qui ne fait que commencer et va profondément transformer notre vie quotidienne.

La lumière et son constituant ultime, le photon, sont en train de jeter de nouveaux ponts entre le monde de la physique, les technologies numériques et les sciences de la vie.

Cet étrange constituant fondamental de l’Univers, qui se comporte tantôt comme une particule ponctuelle, tantôt comme une onde diffuse, n’a sans doute pas fini de révéler sa vraie nature et d’exprimer ses immenses potentialités.

Initialement publié sur RTflash, cet article est reproduit sur Gizmodo.fr avec l’aimable autorisation de René TRÉGOUËT, Sénateur Honoraire et fondateur du Groupe de Prospective du Sénat de la République Française.

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Dernières Questions sur UberGizmo Help
  1. « A une telle vitesse, l’intégralité d’un disque Blu-ray de 50 Go peut donc être transférée en une seconde. » non , en 8 secondes environ .
    64 Gb/s est à peu près équivalent à 6Go/s

  2. « A une telle vitesse, l’intégralité d’un disque Blu-ray de 50 Go peut donc être transférée en une seconde … »
    Il s’agit bien ici de 64 gigabit / sec soit 64/8 = 8Go/s.
    50/8 = 6,25 sec pour le Blu-ray ( sans l’overhead d’un protocole ). Donc disons plutôt entre 7 et 8 sec. Ce qui est deja bien.

  3. Il n’a peut être pas été écrit pour Gizmodo mais il s’agit bien d’un article de René…
    Et ce n’est pas son premier sur Gizmodo (d’ailleurs c’est le seul avec Norédine qui postent de vrais articles…)

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