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Posté par Adrien le Jeudi 08/02/2018 à 00:00
La physique dans les profondeurs du cerveau
Découvrir les constituants fondamentaux de l'Univers est une tâche ardue. Comprendre le cerveau humain, c'est encore plus compliqué. Chaque millimètre cube de cerveau humain contient environ 4 km de « fils » neuronaux qui transportent des signaux électriques de l'ordre du millivolt et relient un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de cellules, définissant ce que nous sommes et ce que nous faisons. Du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de l'Égypte antique, on savait déjà que les différentes parties 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...) commandent différentes fonctions physiques. Il y a deux siècles, des médecins amusaient les foules en faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) du courant dans des cadavres pour leur donner un semblant de vie (La vie est le nom donné :). Mais ce n'est que récemment que des spécialistes des neurosciences (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et médicales qui étudient tous les aspects, tant normaux que...) ont pu explorer les profondeurs des circuits du cerveau.


Image TEP d'un cerveau humain montrant la consommation d'énergie. Le cerveau humain consomme sept fois moins d'énergie qu'un ordinateur portable (Un ordinateur portable, laptop (en Suisse) ou encore PC portable est un ordinateur personnel qui, grâce à un poids et un encombrement limités, peut être transporté très...) classique, mais peut effectuer des tâches bien plus complexes. (Crédit image : Jens Maus, Wikimedia Commons)

Le 25 janvier, devant un auditoire nombreux au département Théorie du CERN, Vijay Balasubramanian, de l'Université de Pennsylvanie, a décrit une méthode d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) du cerveau s'appuyant sur la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...). Vijay Balasubramanian a obtenu son doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les...) en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que...) théorique à l'Université de Princeton, et a également travaillé à l'expérience UA1 au Supersynchrotron à protons du CERN dans les années 1980. Aujourd'hui, il travaille dans des domaines comme la théorie des cordes ou la biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont...) théorique, où il applique des méthodes communes en physique pour modéliser la topographie neurale du traitement de l'information dans le cerveau.

« Nous utilisons autant que possible, les mathématiques pour faire des prédictions réelles, quantifiées, vérifiables, ce qui est inhabituel en biologie ». - Vijay Balasubramanian

L'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) de base du cerveau est relativement bien comprise. Des tâches sensorielles et cognitives extrêmement complexes sont effectuées par l'action conjointe de nombreux neurones et circuits spécialisés, dont chacun assume une fonction étonnamment simple. Vijay Balasubramanian prend des exemples tels que l'odorat, qui permet aux humains et aux autres animaux de distinguer une grande diversité de mélanges d'odeurs au moyen de ressources neurales très limitées, et le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) de « localisation » (grâce auquel nous nous représentons mentalement notre position dans l'espace) pour démontrer que le cerveau a évolué pour produire des circuits neuraux fonctionnant selon des principes mathématiques complexes, dont certains viennent d'être découverts.

Certaines prédictions utilisant des modèles assez grossiers semblent décrire les circuits du cerveau de façon assez satisfaisante, et ces descriptions vont souvent à l'encontre des idées reçues. En général, les calculs de Vijay Balasubramanian montrent que les animaux ont évolué de façon à optimiser le rendement cognitif à partir du plus petit nombre de neurones possible. « Les neurones nous coûtent cher ! » fait-il remarquer, soulignant que le cerveau ne représente que deux pour cent de notre masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) corporelle mais 20 pour cent de notre charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à...) métabolique. Le cerveau consomme à peine 12 W, sept fois moins qu'un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits...) portable courant, et pourtant il a une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul bien supérieure, qui s'applique à des tâches beaucoup plus subtiles. « Le cerveau nous fait tomber amoureux, là où l'ordinateur peine à reconnaître un visage », explique-t-il.

Cependant, Vijay Balasubramanian pense que les humains surestiment leurs capacités cognitives : nous ne sommes pas si extraordinaires que ça finalement. Il fait observer que la plus grande part du comportement de notre cerveau vient de connexions primaires qu'on retrouve chez tous les vertébrés. Même si une compréhension quantitative de concepts élevés tels que « la pensée » ou « la conscience » est loin d'être acquise, il semble que les physiciens aient encore beaucoup à découvrir dans le monde (Le mot monde peut désigner :) en effervescence des neurosciences.

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Source: Cristina Agrigoroae - Copyright CERN