samedi 7 avril 2018

Première Reconstruction et Simulation Numérique d'un Fragment de Néocortex Cérébral




Le néocortex est la région du cerveau où se développent 
le langage, l'imagination ou la capacité d'abstraction


Une équipe internationale de chercheurs, membres des projets européens Blue Brain   et Human Brain Project, dont le travail a été publié dans la revue scientifique Cell en octobre 2015, a achevé la première reconstruction informatique détaillée d'un fragment de cette région du cortex cérébral.

Le néocortex est la structure la plus humaine du système nerveux, puisque c'est la région du cortex cérébral liée aux capacités qui différencient les humains des autres mammifères, comme le langage, l'imagination ou la capacité d'abstraction.

Le travail représente l'aboutissement de 20 années d'expérimentation biologique, au cours desquelles l'ensemble primordial de données a été généré, et 10 années de travaux scientifiques computationnels, dans lesquels le logiciel, des algorithmes et de la construction de l'écosystème nécessaire à la reconstruction et à simuler numériquement le tissu, a été développé.

L'équipe de chercheurs a simulé le comportement électrique du tissu cérébral virtuel dans les super-ordinateurs et a constaté que cela coïncidait avec le comportement déjà observé dans une série d'expériences réalisées sur des cerveaux.

La recherche développée montre que la reproduction numérique du cerveau humain et la simulation détaillée de son fonctionnement sont possibles  même à long terme.

Les chercheurs impliqués dans cette étude ont réalisé des dizaines de milliers d'expériences avec des neurones et des synapses (connexion entre neurones) dans le néocortex de jeunes rats et catalogué chaque type de neurone et chaque type de synapse qu'ils ont trouvé. Ainsi, ils ont identifié une série de modèles fondamentaux qui décrivent comment les neurones sont organisés dans le microcircuit et comment ils sont connectés via des synapses et ont développé un algorithme capable de prédire les emplacements des près de 40 millions de synapses dans les microcircuits.

Cet algorithme commence par placer des modèles 3D réalistes de neurones dans un volume virtuel, en respectant la distribution mesurée de différents types de neurones à différentes profondeurs, et détecte plus de 600 millions d'endroits où les branches des neurones se touchent. Par la suite, il élimine systématiquement tous les contacts qui ne correspondent pas à cinq règles biologiques de connectivité, ce qui laisse 37 millions de contacts, qui sont les endroits où il construit les synapses du modèle.

Modèle 3D reconstruit à partir
des données de laboratoire
Pour modéliser le comportement des synapses, les chercheurs ont intégré les données de leurs expériences et des données de la littérature scientifique, en calculant les courants ioniques qui circulent à travers de 37 millions de synapses en intégrant des données pour seulement certaines d'entre elles.

Les chercheurs ont trouvé une relation étroite entre les statistiques de connectivité de la reconstruction numérique et les mesures expérimentales dans le tissu biologique  qui n'avaient pas été utilisés dans la reconstruction.

L'infrastructure de super informatique et le vaste écosystème de software développé dans le cadre de ce projet sont essentiels pour des avancées telles que le présent dans le domaine des neurosciences puisque seul ce type d'infrastructure permet de résoudre les milliards d'équations nécessaires pour simuler chaque intervalle de 25 microsecondes dont est composée la simulation.

Pour évaluer la robustesse des modèles mathématiques qu'ils ont ainsi développés, les scientifiques ont comparé les signaux produits par le tissu cérébral artificiel, généré par ordinateur, à ceux produits dans un cerveau de rat bien réel, en réponse à une stimulation tactile. Et les résultats sont très satisfaisants d'après les chercheurs : les réponses des différents types de neurones dans la reconstitution numérique était très semblables à celles précédemment observées en laboratoire.

Nouvelles théories de la simulation. Les simulations réalisées ont également permis le développement de nouvelles théories, impossibles à réaliser sur la base de l'expérimentation biologique, comme l'observation qu'il existe de multiples mécanismes cellulaires et synaptiques qui peuvent faire passer le circuit d'un état d'activité à un autre (synchrone et asynchrone), ce qui pourrait conduire à de nouvelles formes d’étudier le traitement de l'information et les mécanismes de la  mémoire dans les états cérébraux normaux, tels que l'éveil, la somnolence et le sommeil, et certains des mécanismes dans des états anormaux, comme l'épilepsie, et potentiellement d'autres troubles cérébraux.


Questions sur le fonctionnement du cerveau

Les neurones produisent de petites décharges électriques dans leurs membranes, qui traversent les axones pour libérer des signaux chimiques. C'est là que se trouvent toutes les choses que nous ressentons.

Cependant, certains groupes de neurones sont impliqués dans des phénomènes plus complexes qui rendent l'activité neuronale plus difficile à comprendre. On ne sait pas encore quelle partie du cerveau est impliquée dans chacun de ces processus, bien que l'on pense que les neurones agissent dans un groupe et non individuellement. Les impulsions nerveuses pourraient ne pas être le seul moyen de transmettre l'information.

Lorsqu’on apprend quelque chose de nouveau, il y a des changements dans la structure du cerveau, cependant, on ne sait pas exactement comment ce changement fonctionne et quelles en sont les conséquences.

Un autre problème est qu'il existe plusieurs types de mémoires : à court et à long terme, et dans la seconde, la mémoire déclarative  les noms et les faits , et la mémoire non déclarative  comme faire du vélo . Malgré les différences, il semble y avoir un mécanisme moléculaire commun.

Lorsque les neurones sont activés ensemble, la connexion entre eux est plus forte et les associations sont créées. Cependant, lorsque le cerveau crée ces associations, les relations entre les choses sont codifiées et non les détails.

Plus mystérieux est le fait de savoir comment nous nous souvenons des choses à travers un processus rapide, nous modifions ou effaçons certaines mémoires. Des études récentes montrent que certains produits chimiques peuvent bloquer et modifier la mémoire.

Des activités réalisées par le cerveau sans besoin des stimuli externes ont été peu étudiées : dans les études de neuro-imagerie, on a constaté que, indépendamment de la tâche assignée, le cerveau diminue l'activité de certaines zones qui effectuent des activités de référence lorsqu'elles ne sont pas utilisées, similaire à la façon dont le cerveau fonctionne.

La simulation du futur est l'une des choses les plus intelligentes que notre cerveau fasse. On pense que cela fonctionne en créant un modèle interne du monde extérieur et comment les choses s'y comportent, grâce à la mémoire et aux expériences passées. Cette perception sert non seulement à simuler le futur, mais aussi à des choses aussi fondamentales que la vision ou la perception.

Les émotions portent avec elles une série de signes physiques tels que l'augmentation du rythme cardiaque ou la tension musculaire. Les sentiments sont des expériences subjectives qui accompagnent ce processus tangible.

Les émotions agissent généralement à travers la partie inconsciente du cerveau, et sont communes aux différentes cultures et même aux différents animaux. D'autres points de vue disent que les émotions sont des états cérébraux qui assignent des valeurs aux résultats et rendent un plan d'action rapide.

On ne sait pas exactement ce que l'intelligence signifie d'une manière biologique, si les gens les plus intelligents utilisent le cerveau différemment et comment ils le font. Des études récentes montrent une relation entre l'intelligence et la mémoire à court terme, bien que les résultats ne soient pas concluants. La vérité est que l'intelligence ne peut être liée à une seule zone du cerveau ou à un seul mécanisme.

Le cerveau a des problèmes pour synchroniser différents signaux qui se produisent en même temps mais qui sont traités à des vitesses différentes. Les sens traitent les choses différemment, par exemple, mais le cerveau essaie d'être perçu comme simultané.

Sans aucun doute, le passage du temps, la simultanéité et autres sont des constructions de notre cerveau. Le manque de synchronie peut entraîner des problèmes tels que la dyslexie ou des chutes chez les personnes âgées.

Presque tous les animaux ont tendance à dormir, et le manque de sommeil entraîne des conséquences négatives sur la santé. Cependant, nous ne savons pas avec certitude quelle est la fonction du sommeil : on croit qu'il peut être régénératif, mais la vérité est qu'il y a une grande quantité d'activité neuronale qui peut signifier quelque chose de plus. D'autres théories disent que le sommeil est un moment pour le cerveau de résoudre les problèmes avant de le faire dans le monde réel ; ou que le sommeil est le moment où la connaissance est fixée.

On ne comprend pas comment les différentes zones du cerveau se coordonnent pour fonctionner ensemble et fonctionner rapidement, en particulier en tenant compte du fait que les signaux électriques du cerveau se produisent lentement. Le cerveau est un processeur parallèle, qui effectue plusieurs opérations en même temps et très rapidement.

La plupart des scientifiques s'accordent à dire que la conscience naît des choses matérielles, parce qu'elles génèrent de petits changements physiques dans le cerveau qui peuvent altérer les expériences subjectives. Les mécanismes qui sous-tendent la conscience peuvent être réalisés à plusieurs niveaux, et on pense que la rétro-conception ou “reverse engineeringdes circuits du cerveau est essentiel pour créer la conscience.

Voir aussi…




Aucun commentaire:

Publier un commentaire