Notre Cerveau Est-il Comparable à Internet et à un Ordinateur ?

La carte des connexions neuronales dans le cortex cérébral

 est similaire à la structure du réseau des réseaux

Pendant des années, les neuro-scientifiques se sont mis à la recherche d'indices sur le fonctionnement du cerveau grâce à sa structure, notamment le rôle des lobes et les circonvolutions. Plus récemment, ils se sont intéressés à la manière dont les neurones sont connectés entre eux, grâce à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf).

Un "mini-Internet" dans le cerveau

Selon une étude réalisée par des scientifiques de l'Université de Californie du Sud, publiée dans PNAS en avril 2015, Le cortex cérébral de la souris est comme un mini-Internet.

Le web comporte d'innombrables réseaux locaux qui sont reliés à des réseaux régionaux, qui eux-mêmes sont connectés à l'épine dorsale. Le cerveau fonctionne de manière similaire.

Le cerveau de rats de laboratoire ressemble suffisamment au cerveau humain, beaucoup plus complexe, comme pour fournir des données intéressantes et des expériences impossibles chez l’homme, il est donc plus facile à étudier.

Cartographie des connexions
neuronales du cortex cérébral

Le cortex cérébral d'un rat est composé de quatre réseaux : deux réseaux locaux (en bleu et rouge) constituent la "partie interne" du cortex cérébral du rat : l'un coordonne la vision et l'apprentissage, l'autre la fonction musculaire et d'autres organes. Un autre réseau, plus important (en vert) gère l'odorat. Un dernier (en jaune) assemble et donne un sens à l'ensemble des informations provenant des trois autres réseaux.

Cette cartographie met en évidence le fait que certains flux d'information sont génétiquement "câblés" dans le cerveau. Les données étaient déjà là ; il fallait juste les compiler dans un format exploitable. Les chercheurs ont créé une base de données de plus de 16.000 connexions neuronales (provenant de 1.923 cerveaux de souris), dont ils évaluent à la fois la force de la connexion et la fiabilité de la méthodologie utilisée pour le découvrir. Le processus a pris plus de 4.000 heures pour regrouper l'ensemble des données.

L'équipe de chercheurs a ensuite identifié les réseaux locaux, et a découvert des "hubs" – des centres fortement interconnectés et cruciaux pour relier les réseaux locaux ensemble –. Des recherches antérieures ont montré que les régions identifiées par l'équipe comme des "hubs" peuvent être, lorsqu'elles sont endommagées, à l'origine de maladies neuro-dégénératives et de crises d'épilepsie.

Les chercheurs se sont essentiellement appuyés sur des études de cerveaux de rats car le milieu scientifique dispose d'une quantité remarquable de données chez cet animal. Dans l'avenir, ils espèrent être en mesure d'élargir cette cartographie à l'ensemble du système nerveux. Ainsi, elle pourrait créer un lien entre l'étude du cerveau de rats et celle du cerveau humain. Avoir une cartographie du cerveau de rat permet de faire circuler les connaissances entre les études humaines et animales. Cela permettra de vérifier si les découvertes faites chez l'animal sont susceptibles d'être appliquées chez l'homme.

Le cerveau humain aurait une capacité de stockage phénoménale

Selon une étude réalisée par des chercheurs de Salk Institute for Biological Studies (La Jolla, Californie), publiée dans la revue eLife en janvier 2016, notre cerveau aurait des capacités de stockage d’informations dix fois plus grandes que ce que l’on pensait jusqu’à aujourd’hui.

Notre cerveau pourrait stocker 1 péta-octet de données. Ce chiffre représente toutes les informations contenues sur le web, 1 million de milliards d’octets.

Le cerveau humain est composé d’environ 86 à 100 milliards de neurones. Chaque neurone constitue environ 1.000 connexions avec d’autres neurones, soit environ 100.000 milliards de connexions. Si chaque neurone ne pouvait stocker qu’un seul souvenir, le manque d’espace serait sans doute un problème.

En réalité, les neurones se combinent de manière à ce que chacun contribue à emmagasiner beaucoup de souvenirs à la fois. Cela a pour effet d’augmenter de façon exponentielle la capacité mémorielle du cerveau pour arriver à quelque chose de l’ordre de 2,5 péta-octets (1 péta-octet = 1 million de giga-octets).

Pour en arriver à une telle conclusion, les neuroscientifiques ont réalisé une modélisation en 3D de l’hippocampe d’un rat, la région cérébrale au cœur de la mémoire. Une analyse de ce modèle a posteriori, a ainsi permis de révéler une diversité de tailles parmi les synapses, les zones de connexion situées entre les neurones. On sait depuis longtemps que ces éléments jouent un rôle primordial dans le traitement des informations cérébrales. En témoignent notamment les différentes maladies neurologiques liées à leur dysfonctionnement. Des synapses plus diversifiées qu'estimées. Ces jonctions assurent l’interaction entre les neurones et le bon fonctionnement de l’activité électrique et chimique régissant notamment nos pensées et souvenirs.

Jusqu’à présent, la communauté scientifique s’accordait pour classer les synapses en trois catégories de taille : petite, moyenne et grande. Toutefois, la nouvelle modélisation suggère l’existence de vingt-six types différents de synapses, soit près de dix fois plus. Par ailleurs, toutes les deux ou vingt minutes, les synapses augmenteraient ou diminueraient d’une taille. Selon les scientifiques, cette variété de dimension et cette capacité à se transformer traduiraient une certaine adaptabilité face au volume d’informations à traiter.

Les résultats fournissent également une explication de l’efficacité surprenante du cerveau. Le cerveau adulte au réveil génère seulement 20 Watts de puissance continue, autant qu’une ampoule d’éclairage très faible. La découverte pourrait aider les informaticiens à construire des ordinateurs ultra-précis avec une faible consommation, en particulier ceux qui emploient “d’apprentissage profond” et des réseaux de techniques neuronales artificielles capables d’apprentissage et d’analyses sophistiqués, comme la parole, la reconnaissance d’objets et la traduction.

Le cerveau, marche-t-il comme un ordinateur ?

Notre cerveau est probablement l’organe ressemblant le plus à un ordinateur moderne. Non seulement il peut traiter, assimiler et résoudre des divers problèmes, aussi, grâce à la mémoire, on peut stocker des informations, les utiliser, y accéder et l’interpréter.

La capacité du cerveau humain à apprendre et à mémoriser l’information semble pour le moment avoir une durée illimitée. La tâche de calculer les souvenirs que nous pouvons garder en octets n’est pas exactement facile, principalement parce que nous ne connaissons pas une méthode fiable pour mesurer mathématiquement la mémoire, mais une simple étude des propriétés biologiques du cerveau permet de savoir que nous n’avons pas à nous soucier de “manquer d’espace” dans n’importe quel moment de notre vie.

L'ordinateur est largement supérieur à l'être humain pour calculer, mémoriser et classer des informations. Cependant, pour des opérations cérébrales comme raisonner, analyser son environnement et communiquer, l'être humain le surpasse complètement. En effet, l'ordinateur est loin de la compréhension, d'une pensée autonome et son “intelligence” réside dans les programmes qu'il exécute, lesquels doivent être réalisés par l'être humain.

Nous avons environ 100 milliards neurones, qui à son tour, forment 100.000 milliards de connexions (peut atteindre plus) avec d’autres neurones. En faisant un calcul approximatif et en tenant compte du fait que, avec toutes ces connexions, nous multiplions la capacité de notre cerveau, on peut stocker environ 2,5 péta-octets (un pétoctet équivaut à 1024 milliards de giga-octets). Pour avoir une idée, cette capacité de stockage équivaut à 3 millions d’heures de vidéo, quelques 300 ans de jeu continu.

Comparaison entre l’ordinateur et le cerveau

La différence essentielle entre les ordinateurs et le cerveau humain est la façon dont le traitement est fait ; sa configuration est fondamentale.

Les ordinateurs modernes ne sont rien d’autre que des versions plus jeunes et plus efficaces que leurs arrière-arrière-grand-mères, les calculatrices. Ils utilisent encore une horloge centrale pour faire les calculs et, au fond, plus cette horloge est rapide, plus la capacité de traitement est importante. C’est pour cette raison que lorsqu’il s’agit de processeurs et de la vitesse d’un ordinateur, on dit 2 GHz ou 3 GHz ; ce sont des fréquences, pas de vitesse, mais plus elles sont élevées, mieux c’est.

Un ordinateur est fait de composants fonctionnant dans un but précis. Cependant, il nécessite pour cela des programmes qui lui indiquent comment procéder. Ces programmes étant créés par l’homme, ces ordinateurs ne sont pas autonomes et dépendent des programmes provenant des cerveaux des programmateurs. Faire d’un ordinateur une chose capable d’apprendre par elle-même et dépassant les limites qui la bloque (fonctionnement strict et connexion figé) est l’enjeu majeur de l’intelligence artificielle.

Le cerveau a une structure évolutive, constamment en changement, jamais le même de personne en personne, il n’a pas besoin de “programme” pour fonctionner. Même si l’ordinateur est infaillible, bien rapide et efficace en traitement de données que l’homme, la souplesse du cerveau humain lui permet une autonomie et liberté totale ainsi qu’une fonctionnalité évolutive.

Dans les ordinateurs le processeur et la mémoire ne sont pas intégrés, ils sont essentiellement deux éléments différents. Dans le cas du cerveau tous sont deux entièrement assemblées, ce qui a ses avantages du point de vue du traitement, mais ses inconvénients sont évidents, puisque nous n’avons pas encore découvert comment faire une extension à notre mémoire cérébrale telle que nous le faisons aux ordinateurs.

Les ordinateurs cognitifs seront finalement une partie de notre réalité et prendront de meilleures décisions que les êtres humains, basées sur des données, des recherches et des précédents et même ils vont raisonner sur la meilleure façon de faire les choses.

Cependant le cerveau humain reste encore très complexe et son mode de fonctionnement reste très imprécis pour l’instant, mais l’étude continue.

Une interface sans fil cerveau-machine dédiée aux handicapés

Des chercheurs de la Brown University en partenariat avec l’entreprise BlackRock Microsystems, sont parvenus en 2015, à élaborer une interface sans fil qui pourrait permettre aux handicapés de contrôler ordinateurs, chaises roulantes et autres objets par la pensée, sans nul besoin de câbles extérieurs.

Initialement né d’un consortium visant à développer des techniques de contrôle par la pensée pour les personnes handicapées, le projet BrainGate a débuté il y a un peu plus de 10 ans par des implantations de puces dans les cerveaux des patients. La puce était reliée à des ordinateurs via un câble, et détectait l’activité électrique du cerveau, censée traduire la volonté d’effectuer des mouvements ou des actions. Mais ces expérimentations ont vite trouvé leur principale limite : aucun de ces dispositifs ne peut être utilisé dans des conditions "normales". Il faut en effet plusieurs assistants scientifiques pour que l’implant fonctionne correctement, et il est difficile pour un patient d’utiliser ce dispositif dans la mesure où il doit être connecté en permanence à une multitude de câbles.

Fonctionnement. La puce attachée au crâne est reliée à des électrodes disposées dans le cerveau qui récoltent l’activité neuronale. Le terminal est constitué d’un amplificateur d’ondes (pour que les signaux soient suffisamment puissants pour être réutilisés), de circuits pour numériser l’information ainsi que d’une radio émettant les ondes à des récepteurs. Et l’information est extraite à une vitesse de 48 MB/s, vitesse similaire à la connexion Internet d’un foyer. Le dispositif est alimenté par une batterie, et ne consomme quasiment rien (seulement 30 milliwatts).

Si certains dispositifs similaires ont déjà été confectionnés auparavant, la rapidité du dispositif peut extraire du cerveau une grande masse de données (équivalente à 200 DVD par jour).

Les électrodes présentes dans le cerveau sont alors capables de récolter l’activité de 100 neurones à la fois. Ces signaux peuvent maintenant être traduits de façon suffisamment précise pour savoir quel mouvement un être humain souhaite réaliser. Les tests en cours sur une demi-douzaine de patients et de singes montrent qu’il est possible de contrôler une souris d’ordinateur ou encore un bras robotique simplement par la pensée. Ces dispositifs comportent encore des risques pour être utilisés dans un cadre domestique. Ils peuvent causer des infections sous la peau.

L’aspect financier peut être un obstacle de taille même si les technologies relatives à l’électroencéphalographie (EEG) sont maintenant de moins en moins chères. De simples casques low-cost peuvent permettre de contrôler des fauteuils roulant avec la pensée. Mais ces dispositifs sont encore complexes, et nécessitent une puissance bien supérieure pour être précis et être totalement fiables.

BlackRock a commencé à vendre le processeur sans fil, baptisé Cereplex-W et coûte 15.000 dollars, à des laboratoires de recherche qui travaillent avec les primates. Depuis 2015 une demi-douzaine des paralysés, y compris dans les phases finales de la sclérose latérale amyotrophique participe aux essais pour BrainGate.

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Le style de vie numérique des enfants modernes génère des changements dans leur cerveau

Le style de vie numérique des enfants modernes génère des changements dans leur cerveau. Actuellement, le besoin de “contact social“ est si prenant que l’on ne peut pas s’empêcher de lire un e-mail, un message sur Facebook ou de répondre à un message de texte. Si pour les adultes il est difficile d'éviter les distractions, pour les enfants, dont l'esprit est plus susceptible d'être constamment distrait, c’est très inquiétant.

Les enfants, aujourd’hui, ne grandissent pas du tout dans le même environnement que les parents ont connu dans leur jeunesse. Jeu, imagination, activité, nature… tous les sens étaient sollicités.

Les enfants d’aujourd’hui ont encore ces options de jeu idyllique au bout des doigts, mais les écrans de toutes sortes ont fait leur apparition – téléviseur, ordinateur, téléphone intelligent, tablette – dans lesquels ils plongent enchantés, souvent même avant de savoir parler. Dès leur entrée à l'école, ils passeront en moyenne cinq heures quotidiennes avec eux. Au collège, ils auront tous un portable avec lequel ils enverront, dans une novlangue de leur cru, en moyenne 83 SMS par jour.

L'influence des écrans sur les premiers temps de la vie. C'est dans ces années cruciales que se forme le cerveau. Il est alors particulièrement plastique, fragile, hypersensible à tout ce qu'il voit, touche, ressent. Les neurones, générés avant la naissance, vont se connecter durant cette période, puis connaître un regain d'activité au moment de la puberté. Les réseaux, les autoroutes par lesquelles circule l'information, vont se former en fonction de l'environnement du sujet.

Lorsque l’enfant entre dans l’adolescence, le temps excessif passé devant l’écran semble perturber la structure et la fonction cérébrale. Les dommages se produisent principalement dans le lobe frontal du cerveau, qui subit des changements considérables. Le développement du lobe frontal joue un rôle crucial dans tous les secteurs de la vie – du sentiment de bien-être à la réussite scolaire et du succès professionnel aux qualités relationnelles –.

On a remarqué chez les adolescents passionnés de jeux vidéo (derrière leur écran plus de neuf heures par semaine) une augmentation du volume d'une partie centrale du cerveau, le striatum, liée au système de récompense. On peut dire que ces jeux vidéo stimulent l'une des zones les plus primitives du cerveau, vers laquelle convergent les informations venues du cortex.

Être multitâche altère la mémoire et les capacités du cerveau

Des chercheurs de l'Université de Californie à San Francisco dans une étude, publiée par la National Academy of Sciences en avril 2011, ont démontré que les personnes qui pratiquent la multitâche utilisent une partie différente du cerveau quand ils apprennent quelque chose, par rapport aux non-aptes à la multitâche.

Les ‘multitaskers’ utilisent la mémoire procédurale, qui codifie ce que l'on apprend comme une routine, tandis que ceux qui se concentrent sur ce qu'ils font sans distractions utilisent l'hippocampe, une partie du cerveau qui joue un rôle important dans la formation de nouveaux souvenirs d'événements vécus. Il est utilisé par exemple, dans une classe de mathématiques pour appliquer des règles abstraites sur un nouveau problème.

Or les gens concentrés peuvent appliquer une nouvelle compétence plus largement que ceux qui exercent les multitâches. Le mode de vie en multitâche serait parfait si les enfants allaient travailler sur des lignes d'assemblage, mais pour la pensée de haut niveau nécessaire pour des emplois bien rémunérés, ce serait mieux d’exercer leur hippocampe.

Cela ne signifie pas que les gens devraient s’isoler pour travailler et cesser d'utiliser des applications telles que les appareils électroniques et les réseaux. Ce serait comme cesser d'utiliser les voitures de peur des accidents et de la pollution. Ce qu'il faut faire est rationaliser l'utilisation de la technologie et acquérir de bonnes pratiques.

La clé est de ne pas aller à l'autre extrême. Selon les chercheurs il a été montré que la performance est réduite – et le stress augmente – avec un nombre croissant de tâches. Mais nous savons aussi qu'un peu de stimulation augmente les performances,  mais l'excès les réduit. En substance, il faut trouver un équilibre.

Une autre étude de l'Université de Stanford menée en 2009 a relevé que les personnes soumises en permanence au régime multitâche ont beaucoup plus de mal à passer successivement d'une tâche à l'autre par rapport à ceux qui ne le sont qu'occasionnellement.

Cette observation souligne l'impact du mode de vie en multitâche sur la capacité de passer naturellement d'une chose à l'autre en raison de la réponse instinctive du cerveau aux distractions qui surgissent. Distractions vis-à-vis desquelles les “non multitâches” sont naturellement moins sensibles.

L’impact des multitâches sur la structure du cerveau

On appelle “multitâche” le fait d’exécuter plusieurs tâches mentales qui possèdent une charge de superposition assez élevée quant aux ressources cognitives qu’elles consomment (comme par exemple écouter de la musique et avoir une discussion avec quelqu’un).

La société de consommation, productive et impulsive, assume que quelqu’un qui est “fort en multitâche” est capable de produire plus lorsqu’il fait beaucoup en même temps, et qu’il est même capable de brasser plusieurs problèmes parallèlement.

Les spécialistes affirment que la vigilance et l'efficacité diminuent dès que l'on fait plus d'une tâche à la fois, puisque chaque alternance de tâche nécessite une pause cérébrale.

Tout indique que nous n’avons pas été sélectionnés pour être obligés de faire deux activités en même temps et moins encore nous avons des garanties pour dire que nous allons exécuter les deux tâches de manière efficace. Nous avons effectivement quelques signes qui montrent que l’on peut faire l’aller-retour entre deux tâches sans beaucoup de coût cognitif, mais c’est un peu soutenir l’attention sur une tâche, exécuter l’autre, retourner à la première.

C’est-à-dire, nous ne sommes pas en train de faire plusieurs choses en même temps, mais nous passons d’une tâche à l’autre, ce qui est couramment appelé task switching dans les neurosciences.

Ce processus que nous imaginons en parallèle et multi-rail est en effet un couloir étroit où les choses passent une par une, et les réorganiser n’est pas gratuit. Alors, chaque changement ou switch de tâche entraîne un certain coût cognitif, car au cerveau on ne lui fait pas de cadeau. Dans la plupart des scénarios possibles, la productivité se réduit en fonction du nombre de changements ou switches qui se sont déroulés; en prenant en compte que, lorsque la tâche devient de plus en plus complexe, la productivité diminue de plus en plus selon l’arrivée de chaque changement.

Tout cela ne veut pas dire que nous soyons complètement incapables d’exécuter plusieurs tâches en parallèle, mais que l’on devrait probablement apprécier un peu moins la capacité de faire beaucoup en même temps et apprécier un peu plus la capacité à élaborer des schémas d’action basés sur des priorités, ce qui permet la concentration sur une tâche spécifique.

Diminution des capacités de mémorisation et de concentration. Lorsqu'une personne normale fait deux choses en même temps, les informations ne rejoignent pas le bon endroit dans le cerveau, le système nerveux fonctionne différemment et il devient plus difficile de retenir les informations et de les exploiter.

Diminution de la tolérance face à la complexité. Les personnes multitâches ont en effet tendance à abandonner une tâche ou à la mettre de côté quand elle devient un peu trop difficile, au lieu de persévérer et réfléchir à la solution pour y arriver.

La technologie bien utilisée joue un rôle clé dans l'amélioration de la capacité intellectuelle

Les progrès récents en neurosciences ont montré que le cerveau a une grande plasticité: l'être humain peut générer des neurones tout au long de la vie et augmenter les liens entre eux – même dans la vieillesse – et peut également améliorer sa concentration (par exemple, par la méditation, qui va jusqu'à produire des changements physiques positifs dans le cerveau).

En outre, le cerveau peut être exercé pour réduire la détérioration intellectuelle qui arrive avec l'âge, pour diminuer le risque de maladies telles que la maladie d'Alzheimer, ou pour améliorer ses capacités dans certaines zones, et cette technologie peut y aider.

Après l'invention de l'imprimerie s'est développée à grande échelle une intelligence réfléchie, linéaire, lente, cumulative. Avec l'écran, on est dans un nouveau mode : fluide, rapide, fragmenté, automatique. Ce sont plutôt les régions postérieures du cerveau, les parties visuelle, sensorielle, l'intelligence élémentaire, qui sont activées. On sollicite moins, ou trop rapidement, le cortex préfrontal, la partie la plus noble, que l'on appelle parfois "l'organe de la civilisation", siège de la synthèse personnelle, du recul, de l'abstraction.

Des études ont montré que certains programmes éducatifs peuvent accélérer l'apprentissage de la lecture, que des jeux vidéo améliorent même l'attention sélective et la capacité de contrôle. A condition de savoir les consommer avec modération.

Par exemple, l'Internet est crucial aujourd'hui pour aider à créer l'environnement enrichi dont les élèves ont besoin pour augmenter leur capacité intellectuelle. La recommandation des médecins d'exercer le cerveau afin qu'il ne vieillisse pas si vite est à l’origine d’une nouvelle industrie des jeux et des applications en ligne pour garder l'esprit éveillé, tels que Brain Age pour la console portable Nintendo DS, ou plusieurs applications disponibles pour l'iPhone et autres Smartphones.

Bien que les scientifiques reconnaissent la nature addictive des moyens de divertissement et autres gadgets qui nous encombrent la vie, le monde dans lequel nous évoluons exige de nous un haut niveau de connectivité et de productivité en mode multitâche.

Il faut laisser notre cerveau se déconnecter afin d’activer le réseau de neurones appelé “réseau par défaut”. Ce dernier s’active quand on ne fait rien, quand on n’est pas concentré sur une tâche (par exemple lorsque l’on conduit sur une route que l’on connaît bien, par beau temps et sans trafic). Ce réseau joue un rôle fondamental pour la synthèse de notre mémoire.

Les stimulations externes remplacent peu à peu les stimulations internes. Les enfants ne savent plus jouer. Si un enfant n'apprend pas à jouer, il est amputé de la capacité d'imaginer, de développer son sens de l'humour, ce qui le prive d'un moyen puissant d'éviter la dépression.

Pour que l'esprit de l'enfant soit plus concentré, ait plus de discipline et soit habitué à éviter toutes sortes de distractions, on doit considérer trois étapes :

* Une tâche à la fois. L'enfant doit faire une seule tâche à la fois et se concentrer sur cette tâche jusqu'à la fin. S’il utilise l'ordinateur, alors il doit avoir seulement une fenêtre ouverte pour l'activité en exécution.

* Rationaliser les réseaux sociaux. Après avoir terminé ses exercices de mémoire, on lui permettra pendant quelques minutes de revoir son Facebook ou toute autre site Web.

* Modules thématiques. L’aider à organiser des modules thématiques d’une durée de 20 minutes, 30 minutes ou 40 minutes, afin qu’il se concentre sur une seule activité dans ce module.

Il est primordial que le très jeune enfant soit accompagné dans son exploration numérique par un adulte qui maîtrise lui-même les “codes” de ce monde, une sorte de code de la route. Cela ne signifie par forcément que l’adulte doit être en permanence derrière l’enfant, mais qu’il doit au moins superviser l’expérience.

Dès lors, les écrans ne devraient pas être totalement exclus du développement du petit enfant tant qu’ils tiennent une place mesurée, contrôlée, et qu’ils côtoient d’autres activités : dessiner, courir, jouer au ballon, parler, écouter une histoire… Il faudrait les éduquer le plus tôt possible au numérique, avec parcimonie, afin de développer leur sens critique, aider leur cerveau à s’accommoder de ces mondes nouveaux et leur donner une place, ni démesurée ni reniée, dans leur environnement concret.

Tous, parents, chercheurs, enseignants, doivent réagir pour continuer de transmettre à leurs enfants, à côté de leur intelligence, rapide, fluide, fragmentée, le mode de pensée plus lent, plus profond.

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