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.
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.
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| Modèle 3D reconstruit à partir des données de laboratoire |
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.
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.
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.
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.
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 engineering” des circuits du cerveau est essentiel pour
créer la conscience.
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