Des processus à long terme au service de l'activité neuronale et de l'incroyable cerveau humain
Publié par Redbran le 07/10/2018 à 12:00
Source: © Union européenne, [2018] / CORDIS
Les actions physiques résultent des interactions entre les stimuli externes du moment et l'histoire de toute une vie. La mémoire est un élément crucial d'un système nerveux entièrement fonctionnel, à la source d'une palette extraordinaire de fonctionnalités telles que l'adaptabilité, la plasticité et les systèmes de survie.

Dans le 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...), les neurones sont connectés au sein de vastes réseaux et cette connectivité leur confère des propriétés qui ne sont pas observées au niveau des neurones individuels. La mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.), par exemple, a été étudiée de manière approfondie et résulte de phénomènes se déroulant sur de longues périodes au niveau du 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 »,...). Si la mémoire d'un stimulus est bénéfique longtemps après qu'il a pris fin, il faut pour cela que des processus à long terme entrent en jeu.

Un vaste corpus de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) a identifié que la source de ces processus à long terme se trouvait au niveau du réseau. Les neurones individuels sont toutefois le théâtre de processus biophysiques se déroulant sur de longues périodes. Ces processus ont généralement été étudiés à l'aide de modèles détaillés qui n'aident pas à rattacher ces propriétés au niveau du réseau. Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) Multiple timescales, financé par l'UE dans le cadre d'une Action Marie Curie (Maria Sk?odowska-Curie (née à Varsovie le 7 novembre 1867 et décédée à Sancellemoz le 4 juillet 1934), connue en France sous le nom de Marie...), "Career Integration Grants", a étudié ces processus jouant sur plusieurs échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). L'équipe du projet a cherché à comprendre les implications dynamiques et calculatoires lorsque de nombreux neurones simples sont connectés ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) et que chacun d'entre eux donne lieu à des processus sur plusieurs échelles de temps.

Des instructions simples et un modèle complexe

Comme l'explique le coordinateur du projet, le professeur Omri Barak, "la commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) “prenez à gauche à la prochaine intersection”, même si elle semble facile à interpréter, implique l'assimilation d'informations sur au moins deux échelles de temps différentes." L'information sensorielle relative au mot "prenez" doit être conservée pendant environ une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...), jusqu'à ce que la phrase soit terminée. Par ailleurs, 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 vieillissement, suivi...) de la phrase doit être conservé pendant environ une minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...), jusqu'à ce que l'intersection en question soit effectivement atteinte. Cet exemple illustre la façon dont deux échelles de temps différentes peuvent intervenir, parmi toute une gamme d'échelles susceptibles d'entrer en jeu, même dans le cas de tâches quotidiennes basiques.

"Nous avons proposé un nouveau modèle, qui fournit une très bonne approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit...) de l'excitabilité d'un neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire...) unique sur des échelles de temps prolongées, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en restant relativement simple", souligne le professeur Barak. Ces résultats ont été présentés à l'occasion de conférences internationales et ont été publiés dans le Journal of Neuroscience, une revue évaluée par des pairs.

De plus, poursuit-il, "j'ai acquis une compréhension plus approfondie de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des réseaux de neurones récurrents entraînés sans dynamique d'excitabilité". Même nos actions les plus simples, comme lever la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce...), font intervenir des millions de neurones dans le cerveau, interconnectés au sein d'un réseau complexe.

Une nouvelle analyse met en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact...) entre la simplicité de ce qui est produit en sortie du réseau et la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en...) de sa dynamique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...). Le modèle employé repose sur des réseaux de neurones artificiels. Il s'agit de systèmes dont la conception est inspirée par la structure du cerveau.

Des réseaux de neurones artificiels avec un niveau de performance semblable à celui du cerveau humain

Ces réseaux ont atteint récemment des performances comparables à celles d'un cerveau humain dans des domaines tels que la reconnaissance d'image et de la parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie à la notion de code, la parole renvoie à celle de corps. La parole est singulière et opère un acte de langage qui...). L'interconnectivité initiale du réseau est choisie aléatoirement et elle est ensuite sculptée par l'entraînement en cherchant à obtenir la sortie souhaitée. La façon dont l'entraînement affecte la dynamique de ces réseaux artificiels était jusqu'ici inconnue.

Des processus jouant sur plusieurs échelles de temps ont montré comment les exigences imposées en sortie du réseau se traduisaient par des modifications de la dynamique interne. "Nous avons constaté qu'un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de modes dynamiques sont mobilisés pour favoriser l'obtention du résultat souhaité." Outre leur présentation lors de séminaires et de conférences internationales, les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters ainsi qu'à l'occasion d'une invitation à rédiger un article d'opinion dans Current Opinions in Neurobiology.

Les avancées des recherches sont appelées à se poursuivre

On ne cesse de faire de nouvelles découvertes sur la façon dont les réseaux neuronaux récurrents produisent des sorties sophistiquées, par exemple quand il s'agit de jouer au tennis. En utilisant une méthode de rétro-ingénierie, le professeur Barak a commencé à analyser l'effet de l'entraînement des réseaux dans lesquels les neurones individuels affichent une dynamique d'excitabilité lente (La Lente est une rivière de la Toscane.). "Plus précisément, nous entraînons maintenant des réseaux neuronaux récurrents qui contrôlent un agent naviguant dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) virtuel. Nous avons montré que l'intégration d'une dynamique d'excitabilité lente est susceptible d'améliorer la mémoire spatiale de l'agent et nous étudions la façon dont cela se produit", souligne-t-il.

Le professeur Barak explique que les fonds Marie Curie ont été d'une aide inestimable au démarrage du projet, avant d'obtenir d'autres sources de financement. Poursuivre l'évolution des travaux, avoir la possibilité d'assister à des conférences en tant qu'équipe a contribué à la formation du laboratoire. "Outre les avancées significatives sur la façon dont l'intervention de processus jouant sur plusieurs échelles de temps peut se traduire par des fonctions cérébrales de haut niveau, par le biais de réseaux neuronaux, la bourse d'intégration professionnelle m'a permis, comme son nom l'indique, d'occuper mon nouveau poste de chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines...) principal", conclut le professeur Barak.
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