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Parution décembre 2013 :
livre de C.Touzet aux éditions la Machotte
- Editions la Machotte
- ISBN : 978-2-919411-02-3
- 166 pages
- Prix public : 22,00 € (Acheter)
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1. Le cerveau : une mémoire neuronale de notre environnement (du livre Hypnose, sommeil, placebo ?", C. Touzet, 2013)


Quelle est la différence entre le vivant et l’inanimé, entre une bactérie et un courant d’air, un végétal et une goutte d’eau, un animal et un rocher ?

Le vivant est un assemblage particulier de molécules capable de se maintenir dans le temps et dans l'espace (il y a donc une frontière entre l'avant et l'après, le dedans et le dehors). De fait, il s'agit d'être capable de se réparer et/ou de se dupliquer. C’est une propriété très particulière, mais qui n’implique aucune volonté propre, aucun dessein. Si une forme est capable de se dupliquer plus vite que la vitesse à laquelle elle disparaît, alors elle envahit sa niche écologique.

Duplication ou reproduction ?

Aux origines, la vie est simple et se borne à la duplication (parthénogenèse). Cette duplication est énergétiquement coûteuse, il faut donc être capable de récupérer ou de créer de l’énergie. C’est la photosynthèse dans le monde végétal, la phosphorylation du glucose dans le monde animal, l’opportunisme des virus qui détournent les mécanismes des deux précédents « mondes », la chimiosynthèse1, etc. Plus une espèce se reproduit, plus elle a de chance de perdurer. Pour pouvoir se reproduire beaucoup, il faut que chaque nouvel individu soit peu coûteux. L’apparition du code ADN est une solution très efficace : on passe de la duplication à la reproduction. Les besoins énergétiques impliqués par la croissance du nouvel individu sont alors à la charge de ce dernier.

Pourquoi percevoir et agir ?

Les conditions environnementales ne sont ni partout, ni toujours, les mêmes. Etre capable de percevoir l’environnement permet de maximiser l’investissement énergétique en se dupliquant, ou en se reproduisant à propos. Ceux qui en sont capables seront à terme plus nombreux que les autres. De même que la perception est importante, être capable d’agir l'est tout autant. Si les conditions sont meilleures un peu plus loin, il faut y aller. La possibilité de se déplacer est peut-être ce qui différencie le végétal de l'animal, quoique la transition soit évidemment moins marquée que cela : il y a des animaux immobiles (le corail par exemple), d’autres utilisent la chlorophylle comme ressource énergétique, etc. A l’inverse les arbres et plantes sont immobiles à l’échelle de l’individu, mais sur plusieurs générations, ils utilisent le vent, les insectes, les oiseaux pour se disperser et peuvent couvrir la planète à terme.

Mono ou multicellulaires ?

Les animaux peuvent agir dans leur environnement pour protéger leur intégrité et récupérer de l’énergie. Certains animaux sont unicellulaires (amibes, paramécies), les autres sont multicellulaires. Les êtres multicellulaires sont plus gros, ils ont donc des capacités de stockage énergétique et de déplacement en rapport. En spécialisant certaines cellules dans la protection vis-à-vis du monde extérieur (peau), d’autres dans la perception (œil), d’autres dans l’action (muscles), ces espèces augmentent leur capacité d’adaptation et s’installent dans de plus nombreuses niches écologiques. L’Homme, avec environ dix mille milliards (1013 ) de cellules, est un animal multicellulaire.

Conclusion

La Vie est un phénomène imparable dès lors que certaines conditions sont respectées. Ces conditions sont uniquement du ressort du domaine physico-chimique. Dès lors, la vie extra-terrestre est certaine. D'ailleurs, il semble que la formation de l'ADN (indispensable à la vie) soit extra terrestre2. Des météorites vieilles de plusieurs milliards d'années (3,5 milliards d'années, alors que la terre est vieille de 4,8 milliards d'années) contiennent des traces de bactéries avec des filaments d'ADN. Certains chercheurs pensent même que les brins d'ADN ne peuvent « naître » que dans l'espace. Nous sommes donc vraisemblablement d'origine extra terrestre !

Quelle communication au sein d'un être multicellulaire ?

Afin d’assurer la mission de protection de l’individu, les sens sont reliés aux muscles. Cette liaison peut parfois se faire sur de grandes distances (de l'ordre du mètre). Elle doit bien évidemment être la plus rapide possible. L'aspect économique est aussi à prendre en compte. Entre une liaison permanente et une liaison intermittente (à chaque fois que nécessaire), la nature a retenu la seconde solution. Le neurone est cette cellule, capable de transporter rapidement de l’information sur une longue distance. Pour garantir l’économie, il faut franchir un seuil d’activation pour qu'il y ait transmission d'information par le neurone (tant que ce seuil n’est pas atteint, rien ne passe par lui).

Les cellules d'un même individu collaborent-elles ?

Les neurones, comme toutes les autres cellules de notre corps, n'ont aucun moyen de savoir qu'elles appartiennent à un ensemble de milliers de milliards de cellules formant « un » individu. L'avenir de chaque cellule réside dans le patrimoine génétique de l’individu. Une cellule qui n’accomplit pas sa tâche met en péril l’avenir de l’individu et compromet de facto son avenir propre. C'est parce que nous contemplons aujourd'hui le résultat de millions de générations de sélection darwinienne que nous observons une « bonne » collaboration des cellules. Mais, cette coopération n'est pas voulue : c'est juste une efficace division des tâches. Les individus, dont la division des tâches était moins efficace, ont disparu au cours des âges (avec leur patrimoine génétique).

Un ou plusieurs types de neurones ?

Aujourd’hui nous connaissons l’existence de plusieurs dizaines de neurones fort différents les uns des autres, tant par la forme, l’excitabilité (le niveau du seuil), ou le neurotransmetteur associé (Gaba, Sérotonine, Acétylcholine, Glutamate, etc.). Dans un même cerveau coexistent tous ces différents neurones.

Combien de neurones ?

Notre cerveau est constitué de plusieurs centaines de milliards de neurones (> 1011). Soixante-dix pour cent d'entre eux sont dans une structure appelée « cortex » (« écorce » en grec). Par rapport à notre taille, notre cortex est le plus développé du règne animal terrestre (les champions toutes catégories sont les dauphins). Il mesure environ 2 mm d'épaisseur pour une surface de 0,4 m2, ce qui explique qu'il soit plissé pour tenir dans notre boite crânienne. C'est le cortex qui permet la cognition (langage, intelligence, altruisme, etc.).

Quelle organisation pour le cortex ?

Les deux millimètres d'épaisseur du cortex contiennent six couches de neurones. Mais la véritable organisation des neurones du cortex est en fait dans l'autre sens : à la verticale. Les neurones des six couches sont rassemblés au sein de colonnes (de 110 000 neurones chacune). Cet arrangement est inné : il est automatiquement construit par le programme génétique. Dans un cerveau en bon fonctionnement, les colonnes corticales voisines sont assemblées au sein de « cartes » qui traitent un même type d'information. Les cartes corticales sont au nombre de plusieurs centaines. Le nombre de colonnes corticales appartenant à une même carte est d'environ dix mille.

Quel apprentissage pour le neurone ?

Il y a « apprentissage » lorsque la performance s'améliore au cours du temps. Nous sommes tous d'accord pour dire que les performances de notre cerveau s'améliorent avec le temps qui passe. Il était donc raisonnable de chercher à savoir comment les neurones pouvaient rendre compte de cet apprentissage.

W. Mc Culloch et W. Pitts ont montré (en 1943) qu'un réseau de neurones artificiels pouvait calculer n'importe quelle fonction logique en utilisant l'idée que les connexions (appelées synapses) entre neurones ont des efficacités variables. Si l'on admet qu'à la naissance, l'efficacité des synapses est le fruit du hasard, alors l'apprentissage est le résultat de la modification de l'efficacité synaptique.

Proposée dès 1942 par D. Hebb, la loi (de Hebb) explique comment l'apprentissage intervient entre neurones. Il a fallu plus de 50 ans3 pour que les Neurosciences acceptent l'idée (et que l'on démontre) que cet apprentissage était bien un processus aveugle, sans connaissance aucune sur ce qui était « appris ». La loi de Hebb dit que si des neurones partageant des synapses communes sont actifs au même moment4, alors l'efficacité de toutes les synapses communes est renforcée. Cette loi renforce donc l'efficacité des synapses liant un neurone A à un neurone B et – en même temps – renforce l'efficacité des synapses liant B à A. Peu importe donc de savoir qui de A ou B a été le premier neurone actif. Ce déni de « causalité »5 est la raison de ce long délai (50 ans) vis-à-vis de la reconnaissance de la justesse de l'intuition de Hebb. La Science est bâtie sur l'idée que les effets découlent de causes, et il peut sembler illogique de renforcer des connexions sans raison (mais ce n'est pas parce que c'est illogique que ça n'existe pas !).

Quelles modifications pour la synapse ?

Il est très facile à l'aide d'un microscope électronique de voir les modifications physiques qui affectent les connexions entre neurones en un lieu appelé « synapse ». Au niveau de la synapse, l'information électrique est transformée en signal chimique (molécules de neurotransmetteur). Une synapse « renforcée » montre une plus grande quantité de neurotransmetteur prête à être larguée dans l'espace inter-synaptique, ce qui induira une plus grande efficacité. De la même manière, les sites du neurone cible où se lient les molécules de neurotransmetteur sont plus nombreux pour plus d'efficacité.

A l'inverse, lorsqu'il y a diminution de l'efficacité synaptique, on observe des quantités moindres de neurotransmetteur et des sites d'accueil également moins nombreux. Ceci intervient lorsque la loi de Hebb n'est pas respectée : des neurones interconnectés ne sont pas actifs au même moment. Nous pouvons en déduire que l'activité d'un neurone induit automatiquement une variation de ses synapses. Si l'activité a également impliqué un autre neurone (suivant ou précédent) alors il y a renforcement de l'efficacité. Dans le cas contraire, il y a diminution.

Combien de synapses ?

On estime que chaque neurone établit environ 10 000 synapses. Le nombre total de synapses dans le cerveau est donc très grand (> 1015 ) et donne le tournis aux chercheurs. Mais il faut voir les choses un peu différemment. Avec 10 000 synapses reçues par neurone, une unique synapse a très peu d'effet sur le comportement du neurone. Il faut un « consensus » d'un grand nombre de synapses pour obtenir une excitation ou une inhibition de ce neurone. De fait, lorsque deux neurones sont interconnectés, ce n'est pas par une unique synapse, mais plutôt par quelques centaines ou milliers d'entre elles. Un neurone est donc connecté à quelques dizaines ou centaines d'autres neurones – au maximum !

Excitation, inhibition, boucles récurrentes ?

Toutes les connexions reçues par un neurone ne participent pas à son excitation. En fait, dans le cerveau environ 80% des synapses sont excitatrices – et donc 15% à 25% des connexions sont inhibitrices6. Une connexion inhibitrice a pour vocation d'empêcher si possible l'activation électrique du neurone. Il s'agit donc de stopper la transmission d'information. Du fait même qu'ils font « disparaître » l'information, le rôle des neurones inhibiteurs est plus difficile à comprendre, de même que l'on ne sait toujours pas comment fonctionne leur apprentissage. Au chapitre 10 (sommeil), je propose un mécanisme expliquant comment les connexions inhibitrices du cortex se renforcent chaque nuit.

Au niveau du cortex, il n'y a pas un sens privilégié de propagation de l'activation électrique car on estime qu'il y a autant de connexions « bottom up » (depuis le cortex primaire recevant les informations issues des capteurs tels que œil, peau ou oreille vers les régions les plus éloignées du cortex associatif où sont censées prendre forme les idées) que de connexions « top down » (depuis le cortex associatif vers le cortex primaire).

Quel niveau d'abstraction pour comprendre la cognition ?

La cognition, c'est l'ensemble des capacités intellectuelles qui grosso modo nous séparent du reste du monde animal : langage, stratégie, etc. Malgré tous ses efforts, la science n'est pas encore arrivée à comprendre comment ces capacités se construisent en considérant que notre cerveau (cortex) est composé de centaines de milliards de neurones (c'est l'ambition du « Human Brain Project » validé en 2013 par l'UE pour un budget d'un milliard d'euros sur les dix prochaines années).

Le neurone est une cellule vivante. Il doit donc respecter un certain nombre de contraintes liées à la vie, notamment le fait que ses réserves énergétiques sont limitées. Le neurone transporte une information depuis ses dendrites jusqu'au neurone suivant via son axone. Cette transmission d'informations est très rapide (électrique) avec toutes les optimisations imaginables, notamment un gros diamètre de fibre et une gaine de myéline (graisse isolante) avec des « trous » (les nœuds de Ranvier). La dépolarisation électrique saute d'un nœud à l'autre, ce qui est plus rapide que de passer de proche en proche comme c'est le cas pour les neurones non myélinisés (très courts). Une dépolarisation implique l'ouverture des canaux ioniques de la membrane pendant un instant (c'est le moment où le neurone est réellement au repos), puis la fermeture des canaux et mise en œuvre des pompes ioniques pour retrouver l'état normal avec une différence de -70 mV entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Ce maintien à l'état normal consomme de l'énergie, le retour à l'état normal encore plus. Il y a donc une limite au nombre de potentiels d'action qu'un neurone peut accomplir sans repos : quelques dizaines tout au plus.

Sachant qu'un potentiel d'action dure moins de 10 millisecondes, un neurone ne traite donc une information que pendant quelques dixièmes de secondes au maximum (par exemple 40 dépolarisations, soit 400 ms ou 0,4 s). Comme les situations auxquelles nous sommes exposés sont normalement plus longues (quelques secondes en moyenne) alors d'autres neurones doivent prendre le relais pour véhiculer la même information. Tous les neurones qui œuvrent de manière interchangeable à véhiculer la même information sont voisins et appartiennent à ce que l'on appelle une « colonne corticale ». Une colonne corticale regroupe environ cent mille neurones (105 ). Le comportement d'une colonne corticale est différent de celui d'un neurone unique. Elle est capable de transmettre une information en continu (de manière permanente) et de coder un niveau (donc de dépasser l'état binaire du neurone). Ce niveau est codé par la fréquence moyenne d'activation des neurones impliqués à chaque instant.

Conclusion

Le neurone n'est pas un bon outil pour représenter l'information nécessaire à la cognition car il est trop fatigable. La colonne corticale est plus appropriée : elle est infatigable et permet de dépasser l'aspect binaire de l'information véhiculée. De plus, la colonne corticale prend en compte le voisinage (les colonnes corticales voisines), ce qui permet de conserver les propriétés topologiques des données mémorisées : des informations similaires activent des colonnes corticales proches. Du fait de cette capacité à tenir compte de leurs voisines, les colonnes corticales ne doivent pas être considérées seules mais en groupe constitué que l'on appelle une « carte corticale ». Une carte corticale regroupe toutes les colonnes corticales impliquées par un même type d'information. Le bon niveau d'abstraction pour l'étude de la cognition est donc la carte corticale.

Que codent les cartes corticales ?

La Théorie neuronale de la Cognition estime à environ 600 le nombre de cartes corticales (chez l'Homme). Nous connaissons la fonction d'environ 80 de ces cartes corticales. Les premières cartes découvertes sont celles constitutives du cortex primaire (c'est-à-dire les cartes en relation directe avec nos sens). Par exemple, certaines cartes sont spécialisées dans le traitement visuel et extraient de l'image rétinienne les contours, les déplacements, les contrastes, les couleurs, les orientations. Cette découverte du fonctionnement du cortex visuel vaudra le prix Nobel de Médecine (1981) aux chercheurs D. Hubel et T. Wiesel.

De la même façon, d'autres cartes traitent les informations provenant de nos autres sens. L'Homoncule de W. Penfield est la représentation au niveau du cortex de l'ensemble des informations tactiles de notre corps, notamment en provenance des capteurs de pression localisés dans notre peau. D'autres cartes sensorielles codent les informations en provenance de notre nez (olfaction), de notre langue (goût), de notre ouïe, etc.

Un autre moyen d'approcher la fonction de certaines cartes corticales est de regarder ce que leurs disparitions entraînent comme symptômes. Un accident vasculaire cérébral (AVC) est la rupture d'un vaisseau sanguin qui entraîne la mort des neurones par défaut d'alimentation en oxygène dans une région plus ou moins grande. Lorsque cette zone est petite, les déficits observés sont limités et peuvent affecter une capacité particulière. Cette capacité spécifique peut être considérée comme celle accomplie normalement par les neurones de cette région et donc par cette carte corticale. Les « agnosies » (a- privatif et -gnosis connaissance en grec) sont des déficits dans la capacité de reconnaître alors même que la perception est tout à fait normale (les capteurs des sens sont fonctionnels). Les agnosies sont souvent dues à un AVC.

Quelques exemples d'agnosies

Ci-dessous, vingt-huit agnosies sont listées qui constituent de facto au minimum les fonctions de vingt-huit cartes corticales.

Agnosies visuelles :

  • Prosopagnosie : impossibilité à reconnaître des visages.

  • Achromatopsie : impossibilité de reconnaissance des couleurs.

  • Alexie agnosique : impossibilité de reconnaissance des mots (lettres) écrits.

  • Agnosie visuo verbale : capacité de lire, mais impossibilité de comprendre ce qui est lu.

  • Agnosie aperceptive (déficit de la perception des formes) :

  1. Agnosie de la forme : incapacité à discriminer les formes géométriques élémentaires,

  2. Agnosie intégrative : impossibilité de percevoir l'objet dans son ensemble (la perception des éléments de l'objet est préservée),

  3. Agnosie de transformation : impossible de décrire un objet autrement que de son point de vue (le sujet ne peut pas le décrire comme s'il le voyait de côté, par exemple).

  • Agnosie associative : perception de la forme normale, mais la perception de la signification de l'objet est diminuée.

  • Akinetopsie : impossibilité de percevoir le mouvement.

  • Simultanagnosie : impossibilité de voir plusieurs objets à la fois et d'organiser la compréhension d'une scène visuelle (mais le sujet voit bien chaque objet indépendamment).

  • Autres agnosies : impossibilité à reconnaître les objets que l'on peut saisir, les animaux, les parties du corps (le sien : autotopoagnosie, celui d'autrui : hétérotopoagnosie), etc.

Agnosies auditives :

  • Incompréhension du langage parlé.

  • Amusie : impossibilité de reconnaître des notes de musique, des rythmes, des intervalles et de vivre une expérience musicale.

  • Phonagnosie : impossibilité de reconnaître des voix connues, bien que les mots soient entendus et compris.


Analgognosie : difficulté à éprouver la douleur (cause d'auto mutilation).

Agnosies somatosensorielles ou tactiles :

  • Astéréognosie : déficit du « sens stéréognostique », en relation avec le toucher. Les patients ont des difficultés à reconnaître les objets tactilement, d'après leur texture, leur taille ou leur poids. Ils restent toutefois capables de les décrire verbalement, de reconnaître visuellement des objets de même catégorie et de les dessiner.

  • Amorphognosie : problème de reconnaissance de la taille et de la forme de l'objet.

  • Ahylognosie : problème de reconnaissance de poids, texture, densité et température de l'objet.

Asomatognosies (perturbation de l'image du corps) :

  • Anosognosie : non-conscience de ses propres troubles.

  • Hémiasomatognosie : hallucinations kinesthésiques, non-reconnaissance de son propre corps. Un membre paralysé est considéré comme étranger, c'est le « phénomène de la troisième main ».

  • Apraxognosie : non conscience de sa maladie et de ses troubles

  • Agnosie des doigts : impossibilité de reconnaître les doigts.

Agnosies spatiales :

  • Héminégligence : ignorance partielle ou totale des éléments de l'espace situés du côté opposé à la lésion. Ce trouble concerne tous les sens.

  • Héminégligence attentionnelle : la fonction visuelle reste intacte, l'œil voit, l'analyse cérébrale des informations recueillies existe toujours (détection du mouvement, réflexe d'évitement d'un objet lancé), mais le patient a perdu l'accès conscient à ce sens.

  • Héminégligence centrée sur l'objet.

  • Héminégligence rétino-centrée : héminégligence relative au point de fixation oculaire.

  • Héminégligence égocentrique : héminégligence relative au corps du sujet et indépendante du point de fixation oculaire.

  • Héminégligence gravitationnelle : relative à l'axe gravitationnel haut-bas.

Quel apprentissage pour les cartes corticales ?

Les cartes corticales sont auto-organisées, c'est-à-dire que les comportements individuels des neurones qui les composent s'ajustent automatiquement, et que le résultat de cet ajustement montre une organisation à l'échelle de la carte entière. Cette organisation est inévitable. Il suffit que des informations du Monde parviennent à nos sens (capteurs sensoriels) pour quelles soient relayées vers le cortex. Ces informations modifient le comportement des neurones des colonnes corticales générant de facto un ajustement des cartes. Ces cartes représentent les informations reçues en respectant deux critères : leur fréquence et leur similarité. Pour l'Homoncule par exemple, la surface corticale occupée par une partie du corps dépend directement, et uniquement, du nombre de capteurs qu'elle contient. Le pied contenant autant de capteurs sensoriels (i.e., informations) que l'ensemble du dos, leurs surfaces respectives sont équivalentes sur l'Homoncule. Le pied étant très proche de la jambe, les colonnes corticales qui s'activent pour le pied sont voisines de celles qui s'activent pour la jambe. Ces dernières sont aussi voisines de celles qui s'activent pour la hanche – mais les colonnes corticales codant pour la hanche et le pied ne sont PAS voisines.

Quelles propriétés pour l'auto-organisation ?

Les cartes corticales conservent fréquence et similarité, ce qui signifie qu'il est possible de savoir, en regardant simplement l'organisation d'une carte, quelles ont été les situations (vécues par la personne) les plus fréquentes et celles qui l'étaient moins. On peut aussi être assuré que des situations « similaires » sont représentées par des colonnes corticales voisines. La définition exacte est :

« projection d'un espace multidimensionnel sur un sous-espace de dimension 2, laquelle projection respecte fréquence et similarité ».

La carte corticale est donc une carte auto-organisatrice. Nous utiliserons fréquemment cette dénomination qui rend justice à la capacité d'apprentissage de la carte – alors que la dénomination 'corticale' ne réfère qu'à l'emplacement (dans le cortex).

Quelle organisation des cartes auto-organisatrices dans le cortex ?

L'ensemble de notre cortex est constitué de très nombreuses cartes auto organisatrices qui organisent et échangent des informations. Une carte reçoit des informations d'un organe sensoriel (œil, oreille, etc.) ou d'une ou plusieurs autres cartes, et elle est obligée d'en tenir compte. La carte apprend et s'organise dès que des informations lui parviennent. Ces informations proviennent d'un Monde cohérent, constitué de régularités. Les régularités les plus fréquentes sont les premières informations apprises par la carte. Puis les régularités un peu moins fréquentes trouvent aussi leurs places sur la carte, et ainsi de suite. Les événements peu fréquents ne sont pas mémorisés par cette carte, ils le seront par d'autres cartes placées plus haut dans la hiérarchie. Ceci sous-entend qu'il y a une organisation « hiérarchique » des cartes. Certaines cartes reçoivent des informations en provenance directe des capteurs sensoriels : elles constituent le « cortex primaire ». Les cartes qui reçoivent des entrées en provenance des cartes du cortex primaire constituent le « cortex secondaire ». Les cartes qui reçoivent leurs informations du cortex secondaire constituent le « cortex associatif ». Comme nous ne savons pas aujourd'hui repérer les différentes fonctions des différentes cartes du cortex associatif, cette dénomination est un peu « fourre-tout » au sens où le cortex associatif représente 70% de l'ensemble du cortex (et donc 50% de l'ensemble des neurones du cerveau). Il y a une hiérarchie de propagation de l'information, depuis le cortex primaire vers le cortex associatif en passant par le cortex secondaire. A l'intérieur du cortex associatif, il y a de nombreux étages de traitement au sens où il y a de nombreuses cartes échangeant de l'information. Ces cartes sont plus ou moins éloignées du cortex secondaire (distance mesurée par le nombre de neurones intermédiaires qui les séparent). Plus elles sont loin et plus elles sont « haut » dans la hiérarchie (c.à.d. d'un niveau d'abstraction plus élevé).

L'auto-organisation au cours du temps ?

Les cartes mémorisent des informations tout au long de notre vie. Chaque couleur vue par notre œil est projetée sur la carte des couleurs et induit une compétition entre les neurones, laquelle induit un renforcement des connexions du neurone gagnant avec les neurones d'entrées (cônes de la rétine). Au départ (à la naissance) la carte est vierge d'information. Les informations reçues vont peu à peu la remplir. Au début, seules les informations les plus fréquentes sont mémorisées, puis à mesure que le nombre d'informations reçues grandit, des informations moins fréquentes finissent elles aussi par être mémorisées. Par exemple, au niveau de la carte représentant les couleurs (cortex visuel primaire), les premières couleurs mémorisées sont les couleurs primaires (rouge, vert, bleu), plus le noir et le blanc : les couleurs les plus fréquentes. Plus tard, et plus tard seulement, les couleurs secondaires seront elles aussi représentées sur la carte, puis les couleurs tertiaires. Ceci explique pourquoi les jouets pour bébé sont si colorés, et en même temps si pauvres en nuances de couleurs.

La carte auto-organisatrice est-elle un détecteur de nouveauté ?

La Théorie neuronale de la Cognition estime que 80% des informations reçues par une carte participent à son organisation, et que les 20% restant participent à l'organisation des cartes suivantes. Ceci sous-entend que l'information reconnue par une carte (parce que mémorisée par celle ci) s'arrête là et que l'information non reconnue (parce que non mémorisée à ce niveau) continue. Ceci fait de la carte auto-organisatrice un « détecteur de nouveauté ».

Quel décours temporel pour la hiérarchie de cartes auto-organisatrices ?

Les corrélations fréquentes sont apprises très vite (et donc très tôt) par les cartes des niveaux les moins élevés (cortex primaire, puis secondaire). A chaque niveau hiérarchique, les cartes sont organisées par des informations moins fréquentes que celles dont ont bénéficié les cartes du niveau précédent. Comme il faut toujours autant de données pour organiser une carte, plus on monte dans la hiérarchie (c'est-à-dire plus on avance dans le cortex associatif), plus l'auto-organisation d'une carte prendra longtemps. Heureusement, nos neurones sont soumis en permanence à la loi de Hebb et n'arrêtent jamais d'apprendre. Jusqu'à la dernière seconde de notre vie, nos neurones tiennent compte des activations auxquelles ils sont soumis. De ce fait, nous sommes capables de tenir compte de corrélations de plus en plus rares. En avançant en âge, nous pouvons découvrir des régularités très peu fréquentes dans le comportement du Monde, ce qui nous donne un avantage considérable. Nous pouvons prévoir à l'avance dans quelle direction les choses évolueront tandis que les jeunes en sont incapables. Cela s'appelle l'expérience et c'est (peut-être) une contrepartie raisonnable au vieillissement de notre corps.

Comment accélérer l'expérience ?

L'expérience se caractérise par la capacité à inférer avec justesse – à partir d'informations que la majorité trouverait insuffisante. C'est pour son expérience que nous sommes prêts à rémunérer un plombier, un boulanger ou un médecin. Qu'est-ce qui nous différencie d'eux ? Le fait qu'ils ont déjà fait, vu ou entendu ce qui est nouveau pour nous. Ils ont donc organisé une ou plusieurs cartes autour de leur métier à partir de toutes les situations qu'ils ont vécues dans ce cadre. Cela justifie aussi de rémunérer plus cher ceux qui ont une plus grande expérience (malgré l'incompréhension de ceux qui en ont une plus courte). Bien entendu, l'expérience ne dépend pas directement du nombre des années, mais du nombre des situations vécues en rapport avec le métier.

Pourquoi combiner les cartes auto-organisatrices ?

En combinant plusieurs cartes auto-organisatrices ensemble, il est possible de créer des représentations très précises du Monde. Lorsque deux cartes auto-organisatrices sont placées l'une après l'autre, la seconde carte représente des données plus complexes, par exemple des combinaisons de caractéristiques extraites par la première carte. Si la première carte code7 les couleurs apparaissant dans l'image rétinienne, alors la seconde carte peut coder les proportions relatives : « c'est plutôt vert », ou « vert et rouge à parts égales », etc. Avec trois cartes auto-organisatrices, il devient possible de fusionner des données issues de modalités différentes comme la couleur et la forme, ou la vison et l'audition. Par exemple, une carte code les couleurs, une seconde code les formes des objets vus et la troisième carte (qui reçoit les connexions des deux premières) code pour des formes colorées. Si, dans l'environnement, il existe des objets de forme ronde et de couleur bleue, d'autres de forme triangulaire et rouge, et aucun carré vert, alors certaines colonnes corticales de la troisième carte seront actives uniquement pour des ronds bleus, d'autres pour des triangles rouges et aucune ne sera active lorsque l'image d'un carré vert sera montrée.

La carte codant les objets d'après leur forme et leur couleur est d'un niveau d'abstraction plus élevé que la carte des couleurs ou la carte des formes. Il est donc possible d'établir une hiérarchie en fonction du niveau d'abstraction. Pour connaître le niveau d'abstraction d'une carte, il suffit de compter le nombre de cartes entre celle-ci et les capteurs sensoriels. Dans le cas de la lecture d'un mot, les recherches actuelles montrent que la carte sur laquelle les mots sont codés est d'un niveau d'abstraction égal à 7.

Qu'est-ce qu'une mémoire associative ?

Les mots écrits, les mots entendus, les odeurs, la vision d'objets inanimés ou de visages font partie de notre quotidien. Ils activent nos sens et sont traités par le cortex. Il existe donc une carte pour les mots écrits8, une autre pour les mots entendus, une troisième pour les odeurs, une quatrième pour les objets inanimés, une cinquième pour les visages, etc. Bref, beaucoup de cartes codant énormément de domaines de la réalité. Il y a des cartes supplémentaires, de niveau d'abstraction plus élevé, qui reçoivent les informations de toutes ces cartes et les fusionnent. Les colonnes corticales de ces cartes de niveau supérieur sont activées dans des situations précises.

Par exemple, certaines colonnes corticales sont activées lorsque nous nous trouvons dans une situation où il y a, en même temps :

  • le mot « arbre » écrit,

  • le mot « arbre » entendu,

  • un arbre visible,

  • une odeur de forêt et

  • le visage de la personne qui nous a fait découvrir ce mot-là.

La loi de Hebb garantit que cette activation simultanée va créer des connexions entre toutes les colonnes corticales des différentes cartes codant ces éléments. Si plus tard seul l'arbre est vu, l'activation du mot « arbre » est néanmoins réalisée. C'est une parfaite illustration des capacités des « mémoires associatives » : un morceau de l'information apprise suffit à activer l'ensemble de l'information mémorisée.

Qu'est-ce qu'un concept ?

Les diverses colonnes corticales codant la situation « arbre » peuvent être comprises comme codant le concept « Arbre ». Un concept est une abstraction qui rassemble sous la même dénomination les instances d'un même objet ou d'une même idée. Le concept de « Arbre » est activé dès qu'un arbre – quelque soit son espèce (chêne, sapin, mimosa, ginkgo, etc.) – est vu, ou que le mot arbre est lu ou entendu, ou qu'un arbre est dessiné, mimé, évoqué, sous-entendu...

Y a t-il une sémantique universelle ?

Mes neurones codant pour le concept « Arbre » ont été construits à partir d'expériences vécues qui me sont personnelles et uniques. Pour moi, un arbre est d'abord un cerisier. Il est dans le jardin de mes grands parents. Son tronc est incliné et ses feuilles ne sont pas si nombreuses. Bien évidemment je suis capable de généraliser et de reconnaître tout arbre pour ce qu'il est. Je suis certain que votre définition d'un arbre est tout aussi personnelle que la mienne. En fait, c'est le cas pour chacun et chacune d'entre nous. Nous devons donc en conclure qu'il n'existe pas de sémantique universelle partagée par tous. La sémantique est individuelle ! Pas étonnant que nous nous comprenions si peu, puisque nos définitions pour les mots et les concepts sont personnelles.

L'analogie du cortex avec un miroir est-elle bonne ?

Comme nous l'avons vu, les cartes auto-organisatrices ne traitent pas les informations reçues, mais les mémorisent. Cette absence de traitement fait elle de notre cerveau un « pur » miroir de ce qu'il a vécu ? Non, cette analogie est trompeuse au sens ou un miroir renvoie un reflet qui est la copie exacte (inversée) de l'environnement actuel. Les cartes auto-organisatrices ne sont capables de « voir » ou « refléter » que ce qu'elles ont déjà vu. La nouveauté n'est pas traitée par la carte, seulement passée aux cartes suivantes. Si l'information est vraiment nouvelle alors il se peut même qu'aucune carte ne la représente – auquel cas elle est invisible. Nous sommes donc en présence d'un miroir qui ne peut voir que ce qu'il connaît (plus ou moins). De plus, ce que nous sommes prêts à voir dépend de l'ensemble de notre vécu individuel. Confrontés à la même situation, deux individus ne « verront » pas la même chose puisque leur histoire individuelle est différente (et donc leurs cartes auto-organisatrices aussi). C'est pour ces raisons que l'analogie avec une « cristallisation de notre vécu » me semble plus appropriée.

Pourquoi l'analogie avec une cristallisation est-elle meilleure ?

La loi de Hebb impose aux neurones (colonnes corticales) de mémoriser tout ce qui leur « arrive ». Ce qui leur parvient dépend du niveau hiérarchique qu'occupe la carte corticale (à laquelle ils appartiennent), lequel niveau dépend uniquement du vécu de l'individu. C'est donc le vécu – le vécu uniquement – qui construit les efficacités synaptiques de toutes les connexions corticales. Bien entendu, une unique expérience ne bénéficie que peu de l'apprentissage hebbien, alors qu'une expérience qui se répète s'ancre définitivement. Cet aspect « consolidation » de la trace mnésique est complètement rendu par le terme de « cristallisation ». Enfin, un cristal est petit mais dense – comme l'est le cortex vis-à-vis de la somme de notre vécu individuel.

Conclusion

L'une des propriétés émergentes la plus intéressante de la carte corticale est sa capacité à tenir compte de la fréquence relative des différentes informations qui lui parviennent en leur octroyant une superficie corticale (en fait un nombre de colonnes corticales) en rapport avec cette fréquence. La position au sein de la carte est également informative : les informations « habituelles » sont représentées par des colonnes corticales au centre de la carte, les informations inhabituelles (et donc peu fréquentes) correspondent à des colonnes corticales du bord de la carte. De ces deux caractéristiques (fréquence et voisinage) de la carte corticale découle la capacité de celle-ci à réaliser des représentations en deux dimensions fidèles des informations reçues (qui elles appartiennent à des espaces ayant plus de 2 dimensions). Ceci est d'une extrême importance. Nos comportements cognitifs dépendent de cette capacité.

1La chimiosynthèse est la conversion biologique de molécules contenant un ou plusieurs atomes de carbone (généralement du dioxyde de carbone ou du méthane) en éléments nutritifs utilisables pour constituer de la matière organique. Les organismes qui la pratiquent utilisent l'oxydation de molécules inorganiques (hydrogène, sulfure d'hydrogène) ou le méthane comme source d'énergie, plutôt que la lumière du Soleil utilisée par les organismes photosynthétiques pour produire des composés réducteurs. C'est notamment pour cette raison que la vie peut exister au fond des mers (sources hydrothermales).

2Alexandre Meinesz, Comment la vie a commencé – les 3 genèses du vivant, édition Belin Pour la Science, 2008, 336 pages, ISBN 2-7011-4694-2.

3Gageons qu'il en faudra autant pour accepter l'idée que la cognition est, de la même façon, le résultat d'un processus aveugle résultant de l'interaction des cartes corticales.

4La durée de ce moment est de quelques millisecondes.

5Si la causalité était respectée à ce niveau, nous aurions : A est actif avant B, donc B s'active à cause de A, et seules les connexions de A vers B se renforcent.

6Un même neurone peut tout à fait être inhibiteur vis-à-vis de ses proches voisins et excitateur à plus longue distance.

7Une carte auto-organisatrice est un automate – rien de plus ! Ses neurones entrent en compétition et c'est nous – observateurs extérieurs – qui associons un label, voire même une sémantique, aux neurones gagnants. Nous disons qu'ils sont « représentatifs » de l'information qui les active. Les neurones pour leur part reçoivent des activations et, s'ils sont activés à leur tour, propagent l'activation aux suivants. C'est tout !

8La carte auto-organisatrice codant les 50 000 mots du Français d'après leur orthographe est disponible sur www.sciences-cognitives.org. Cette carte est intéressante car comme la position des lettres dans un mot n'intervient pas vraiment lors de la lecture, le voisinage des mots n'est pas intuitif.


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