Durant les ann\u00e9es 80, un certain nombre d\u2019informaticiens se sont int\u00e9ress\u00e9s au cerveau en tant qu\u2019architecture informatique. Cela les a conduit \u00e0 la notion de r\u00e9seaux neuronaux et \u00e0 l\u2019\u00e9tude de leurs propri\u00e9t\u00e9s.<\/p>\n
La question s\u2019est d\u2019abord pos\u00e9e de la programmation d\u2019une telle architecture. Dans le cas des ordinateurs, un ing\u00e9nieur \u00e9tudie le probl\u00e8me \u00e0 r\u00e9soudre et \u00e9crit un programme qui est enregistr\u00e9 dans l\u2019ordinateur. Par contraste, un cerveau se programme tout seul. On dit qu\u2019il apprend, d\u2019o\u00f9 l\u2019int\u00e9r\u00eat pour les r\u00e9seaux neuronaux. Encore faut-il poser le probl\u00e8me \u00e0 r\u00e9soudre, ce qui n\u00e9cessite une intervention ext\u00e9rieure.<\/p>\n
Durant les ann\u00e9es 90, il est devenu clair que l\u2019int\u00e9r\u00eat des r\u00e9seaux neuronaux se limitait aux probl\u00e8mes d\u2019optimisation et que la n\u00e9cessit\u00e9 pour la machine de s\u2019autoprogrammer imposait une complication suppl\u00e9mentaire rarement utile. Par contre, l\u2019\u00e9tude des r\u00e9seaux neuronaux restait int\u00e9ressante pour comprendre le fonctionnement du cerveau, mais le cloisonnement des disciplines fait qu\u2019aucun biologiste ne s\u2019y est vraiment int\u00e9ress\u00e9.<\/p>\n
Nous avons vu que les structures dissipatives s\u2019auto-organisent. Le physicien danois Per Bak a montr\u00e9 qu\u2019elles s\u2019auto-organisent toutes suivant le m\u00eame processus qu\u2019il a appel\u00e9 \u00abcriticalit\u00e9 auto-organis\u00e9e\u00bb. On peut donc s\u2019attendre \u00e0 ce que le cerveau s\u2019auto-organise \u00e0 l\u2019aide d\u2019oscillations autour d\u2019un point critique. C\u2019est bien ce que sugg\u00e8rent les simulations num\u00e9riques de Stassinopoulos et Bak, dont les r\u00e9sultats ont \u00e9t\u00e9 publi\u00e9s en 1995 (voir l\u2019article d\u00e9crit au billet pr\u00e9c\u00e9dent).<\/p>\n
Dans ce mod\u00e8le, le r\u00e9seau neuronal re\u00e7oit des signaux sur ses neurones d\u2019entr\u00e9e dits neurones sensoriels et \u00e9met des signaux sur ses neurones de sortie dits neurones moteurs. Lorsque le r\u00e9sultat recherch\u00e9 est atteint, un signal de statisfaction est envoy\u00e9 \u00abd\u00e9mocratiquement\u00bb \u00e0 tous les neurones, ind\u00e9pendemment de leur contribution. L\u2019auto-organisation se fait \u00e0 l\u2019aide de deux param\u00e8tres: l\u2019intensit\u00e9 des connections entre les neurones et le seuil \u00e0 partir duquel l\u2019information est transmise d\u2019un neurone \u00e0 l\u2019autre. Ces param\u00e8tres oscillent au cours du temps de fa\u00e7on \u00e0 maximiser la \u00absatisfaction\u00bb g\u00e9n\u00e9rale.<\/p>\n
Nous avons vu que toutes les structures dissipatives produisent du travail m\u00e9canique en d\u00e9crivant des cycles semblables aux cycles de Carnot. Cela nous a conduit \u00e0 mod\u00e9liser l\u2019\u00e9conomie \u00e0 l\u2019aide de deux param\u00e8tres l\u2019offre et la demande dont on a montr\u00e9 que l\u2019un joue le r\u00f4le d\u2019une temp\u00e9rature et l\u2019autre le r\u00f4le d\u2019une pression (billet 89). En serait-il de m\u00eame des param\u00e8tres de Bak et Stassinopoulos?<\/p>\n
Leur algorithme mod\u00e9lise un \u00eatre vivant. Celui-ci produit bien du travail m\u00e9canique par l\u2019interm\u00e9diaire des neurones moteurs. Les signaux de satisfaction proviennent d\u2019un apport d\u2019\u00e9nergie sous forme de nourriture: ce sont les calories fournies par l\u2019\u00e9quivalent d\u2019une source chaude. Quant aux signaux d\u2019entr\u00e9e, ils apportent de l\u2019information de l\u2019environnement, ce qui correspond \u00e0 une exportation d\u2019entropie. De la chaleur est n\u00e9cessairement \u00e9vacu\u00e9e vers une source froide: c\u2019est la chaleur latente de changement d\u2019\u00e9tat li\u00e9e \u00e0 la r\u00e9organisation du cerveau.<\/p>\n
J\u2019ai dit que l\u2019auto-organisation se faisait \u00e0 l\u2019aide de deux param\u00e8tres. Clairement les seuils jouent le r\u00f4le d\u2019une temp\u00e9rature. Des seuils bas facilitent leur franchissement, comme le ferait une temp\u00e9rature \u00e9lev\u00e9e; des seuils \u00e9lev\u00e9s emp\u00eachent leur franchissement comme le ferait une temp\u00e9rature basse. L\u2019intensit\u00e9 des connections joue le r\u00f4le d\u2019une pression. Elle mesure un flux de charge comme la pression mesure un flux de particules qui frappent une paroi.<\/p>\n
Le mod\u00e8le de Stassinopoulos et Bak implique que, pour fonctionner, le cerveau doit n\u00e9cessairement osciller de part et d\u2019autre d\u2019un seuil de percolation. Dans mon dernier billet, j\u2019ai parl\u00e9 de la conscience. Celle-ci implique un \u00e9tat d\u2019\u00e9veil durant lequel notre cerveau percole. Lorsque nous dormons, nous ne somme plus conscients. C’est donc un \u00e9tat durant lequel notre cerveau ne percole plus. Curieusement, Stassinopoulos et Bak ne semblent pas avoir vu que leur mod\u00e8le impliquait l’existence du sommeil: il en montre le r\u00f4le et la n\u00e9cessit\u00e9.<\/p>\n
Rappelons que toute structure dissipative oscille autour de son point critique et que ces oscillations, parfois qualifi\u00e9es d\u2019oscillations de relaxation (!), n\u2019ont pas de p\u00e9riodes propres. On sait que de telles oscillations se synchronisent ais\u00e9ment sur des ph\u00e9nom\u00e8nes ext\u00e9rieurs. Il est donc naturel que le cerveau se synchronise sur le cycle diurne, soit en phase (animaux diurnes) soit en opposition de phase (animaux nocturnes). Pour certains la synchronisation se fait sur les saisons. C\u2019est le cas des animaux qui hibernent.<\/p>\n
Le sommeil apparait ainsi comme une phase n\u00e9cessaire du cycle d\u2019oscillation du cerveau. Dans le prochain billet, nous comparerons ces oscillations aux cycles d\u2019une machine \u00e0 vapeur, ce qui nous \u00e9clairera encore sur leur fonctionnement, et nous g\u00e9n\u00e9raliserons ces concepts \u00e0 un r\u00e9seau neuronal quelconque.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Durant les ann\u00e9es 80, un certain nombre d\u2019informaticiens se sont int\u00e9ress\u00e9s au cerveau en tant qu\u2019architecture informatique. Cela les a conduit \u00e0 la notion de r\u00e9seaux neuronaux et \u00e0 l\u2019\u00e9tude de leurs propri\u00e9t\u00e9s. La question s\u2019est d\u2019abord pos\u00e9e de la programmation d\u2019une telle architecture. Dans le cas des ordinateurs, un ing\u00e9nieur \u00e9tudie le probl\u00e8me \u00e0 … Continuer la lecture de 103 – Les oscillations du cerveau et le r\u00f4le du sommeil<\/span>