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 humain en employant uniquement les lois de la physique ? Des scientifiques de l'Université 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 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 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.

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 différente (partie supérieure de la figure 1).

Ces changements ont lieu lorsqu'on varie un paramètre D qui décrit le niveau de « bruit », c'est-à-dire, la somme de signaux apparemment aléatoires qui proviennent d'autres parties du système nerveux 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, récupération de mémoire, 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 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 des situations singulières qu'ils dénomment génériquement changements de phase. C'est le cas de l'eau 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 l'espace bien qu'il y ait à peine de changement de volume lorsqu'on la chauffe jusqu'à en arriver à cette situation ».

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 que décrit la thermodynamique, les irrégularités spatiales et temporelles règnent dans la nature. « C'est le cas des cerveaux évolués, tel que cela a été rendu évident dans des études récentes en utilisant des résonnances magnétiques, la tomographie par émission de positrons, des encéphalographies et des sondes délicates », expliquent les auteurs de ce travail.

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 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 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/srep12216/pdf/srep12216.pdf