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Posté par Isabelle le Samedi 30/01/2016 à 00:00
Les neurones cérébraux en équations physiques
Des scientifiques expliquent les mécanismes de fonctionnement du cerveau humain en employant les lois de la physique.

Les chercheurs ont réalisé un énoncé original dans lequel ils étudient de façon détaillée les neurones cérébraux comme s'il s'agissait d'équations physiques. 

Est-il possible d'expliquer les mécanismes de fonctionnement du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité...) humain en employant uniquement les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) ? Des scientifiques de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Grenade (UGR) l'ont démontré pour la première fois dans un article publié dans Scientific Reports, édité par la prestigieuse revue Nature.

Les chercheurs Joaquín Torres et Joaquín Marro, de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) Carlos I de l'UGR, ont réalisé un énoncé original: ils ont étudié de façon détaillée les neurones cérébraux comme s'il s'agissait d'équations physiques aux dérivées partielles, qui entrent en rapport selon un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) d'interactions dénommées synaptiques.

Leur travail a permis d'établir un modèle basé sur une série de réseaux de neurones mathématiques qui imitent ces réseaux naturels de connexions cérébrales qui donnent un support à notre esprit.


Figure 1

Les chercheurs de l'UGR ont détecté et caractérisé en détail dans leur modèle jusqu'à sept phases ou comportements de l'esprit humain qualitativement différents, auxquels ils ont assigné une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la...) (partie supérieure de la figure 1).

Ces changements ont lieu lorsqu'on varie un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) D qui décrit le niveau de "bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.)", c'est-à-dire, la somme de signaux apparemment aléatoires qui proviennent d'autres parties du système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des nerfs, de l'encéphale, de la moelle épinière, etc. Il coordonne les mouvements musculaires, contrôle le...) ou de l'extérieur. Ces phases incluent les états mentaux familiers de repos complet ou discontinu, des synchronisations neuronales totales, partielles ou changeantes avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), récupération de mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.), etc., et des situations très dynamiques qui rappellent nos états de veille et d'attention.

De plus, lorsqu'on perturbe le système avec un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) faible, il montre clairement six pointes bien définies (courbe dans la partie inférieure de la figure 1) qui signalent les transitions entre les phases qui s'observent.

Changements de phase

Tel que l'expliquent les professeurs Torres et Marro, "les physiciens savent décrire avec une fidélité mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les...) des situations singulières qu'ils dénomment génériquement changements de phase. C'est le cas de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) quand elle se solidifie, adoptant ainsi une structure si différente de celle de départ que nous ne parlons plus d'eau, et quand elle devient vapeur (), qui peut s'étendre sans limite dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'espace bien qu'il y ait à peine de changement de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) lorsqu'on la chauffe jusqu'à en arriver à cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...)".

La phénoménologie associée à des changements de phase est, dans la pratique, encore plus fascinante de ce que l'indiquent ces règles, car au lieu de l'équilibre idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il est...) que décrit la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans...), les irrégularités spatiales et temporelles règnent dans la nature. "C'est le cas des cerveaux évolués, tel que cela a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de...) évident dans des études récentes en utilisant des résonnances magnétiques, la tomographie par émission de positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.), des encéphalographies et des sondes délicates", expliquent les auteurs de ce travail.


Figure 2

Cette conduite suggère de préparer des expérimentations psychophysiques simples comme celles qu'illustre la figure 2. "Il s'agit de stimuler le cerveau avec un signal faible -tel que, par exemple, de légers soufflements d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) sur les yeux- et de mettre sous monitoring la façon dont il se propage dans notre réseau neuronal tandis qu'il concourt avec un autre bruit -tel qu'un son dont l'intensité peut se modifier", expliquent-ils.

On suppose que le stimulus est traité par les neurones et que ceux-ci réagissent en provoquant des clignements synchronisés pour réponse et pour défense. Cependant, les neurones sont également perturbés par le bruit D, de sorte qu'ils peuvent ne pas être capables de se synchroniser adéquatement avec les soufflements.

Propriétés robustes

Les chercheurs de l'UGR ont également démontré que les propriétés émergentes du modèle sont robustes, c'est-à-dire, peu sensibles aux modifications possibles dans les détails, particulièrement ceux qui se réfèrent à la forme topologique de la maille d'interactions.

Après avoir vérifié la versatilité et l'utilité de leur modèle, les scientifiques de l'UGR prétendent l'adapter maintenant "afin de comprendre comment changent ces phénomènes émergents en rapport avec les fonctions mentales, en considérant différentes mailles d'interactions selon les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) nouvellement disponibles pour des espèces animales différentes. Peut-être cette voie nous mènera-t-elle à découvrir ce qui rend les humains différents en ce qui concerne le cerveau", concluent les chercheurs.

Référence bibliographique: Brain Performance versus PhaseTransitions. Joaquín J.Torres & J. Marro. Scientific Reports | 5:12216 | DOI: 10.1038/srep12216

Pour plus d'information voir:
http://www.nature.com/srep/2015/150720/ ... p12216.pdf


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Source: Université de Grenade