Différences entre les versions de « Neurosciences/Le codage neuronal »

m
aucun résumé de modification
m
 
Par exemple, prenons le cas d'un souvenir ou d'une connaissance quelconque, que nous avons appris et qui est stockée dans notre mémoire. Nul doute que cette information est quelque part dans notre cerveau, mais où ? Un autre problème, relié au précédent, est celui du codage de l'information dans l'influx nerveux. Par exemple, imaginons que je ressente une forte douleur. Les neurones qui captent la douleur vont alors d'activer et envoyer un train de potentiel d'action au cerveau pour prévenir celui-ci qu'ils ont perçu un stimulus douloureux. Mais comment la douleur est codée par le train de potentiels d'action ? Comment retrouver la localisation de la douleur et son intensité à partir du train de potentiel d'action ? Ces questions sont des défis pour les scientifiques et le problème n'est pas encore résolu. Mais les chercheurs ont cependant quelques pistes assez intéressantes, que nous allons voir dans ce chapitre.
 
==Le codage de l'information dans les réseaux neuronaux==
 
Commençons par étudier le premier problème : comment l'information est représentée dans un réseau de neurones ? Mine de rien, la question est très compliquée et les scientifiques s'écharpent encore pour savoir quelle est la réponse. La réponse a de nombreuses implications quant au fonctionnement de la mémoire. En effet, savoir comment un souvenir ou une connaissance est codée dans le cerveau est un problème assez connu en neuroscience, qui s'appelle le problème de l''''engramme'''. L'engramme est la trace qu'un apprentissage dans le cerveau, le réseau de neurone qui correspond à ce qui a été appris. Quand on apprend quelque chose, des changements biochimiques et structuraux ont lieu dans le cerveau et les réseaux neuronaux s’altèrent. Le résultat de ces modifications est l'engramme proprement dit, le substrat biologique de l'apprentissage. Reste à savoir si ce substrat est localisé à un endroit bien précis dans le cerveau et où.
 
===La théorie de la cellule grand-mère===
 
La première avancée expérimentale importante sur le sujet date des années 2000, avec les travaux de ''Rodrigo Quian Quiroga'', dans son article "''Concept cells: the building blocks of declarative memory functions''". L'étude suivait un protocole assez simple, basé sur des enregistrements électrophysiologiques de neurone isolés. Les chercheurs ont recruté des patients épileptiques qui devaient se faire opérer du cerveau. L'opération avait pour but d'enlever le morceau de cerveau responsable des crises (très graves chez ces patients, d'où le fait qu'ils aient recours à cette opération). les chirurgiens, soucieux de limiter au maximum d'éventuelles séquelles neurologiques/cognitives, cherchent à circonscrire le morceau de cerveau à enlever au minimum. Pour cela, ils placent des électrodes dans le cerveau de leurs patients, pour vérifier qu'ils n’enlèvent rien d'important. Les chercheurs ont alors demandé aux sujets s'ils pouvaient faire quelques expériences et regarder les résultats sur les électrodes mentionnées. Une dizaine de patients a accepté (ce qui est un échantillon assez faible, mais passons). Les enregistrements des électrodes captent l'activité de plusieurs neurones, mais des traitements informatiques permettent, en théorie, d'isoler le signal de neurones seuls.
 
Dans leurs expériences, les chercheurs présentaient des images diverses aux sujets et regardaient ce que les électrodes captaient. Les résultats étaient assez surprenants. Les chercheurs avaient remarqués que les réponses neuronales étaient assez spécifiques et que les neurones ne s'activaient que pour un type de stimulus bien précis, voire pour des stimulus uniques. Par exemple, chez un de leur patient, un neurone s'activait quand on présentait une image de ''Jennifer Anniston'', mais aussi quand on affichait le nom de l'actrice sur un écran ou quand on prononçait son nom à l'oral. Un autre patient avait la même chose, mais pour des concepts comme l'opéra de Sydney, Luke Skywalker et quelques autres. Et les réponses étaient spécifiques de ces stimulus : les neurones concernés ne réagissaient pas quand on présentait une image toute autre. En somme, ces neurones codaient pour un concept, ici des personnes. Précisons que les neurones en question étaient localisés dans le lobe temporal médian, une région du cerveau impliquée dans la mémoire, la compréhension du langage, la catégorisation et la reconnaissance des objets.
 
[[File:Grandmother Cell.jpg|vignette|Théorie de la cellule grand-mère. On aurait un neurone spécifique à Jennifer Anniston, aux polyèdres, etc.]]
 
Cette expérience colle assez bien avec une théorie du codage neuronal, appelée la '''théorie du neurone grand-mère'''. Vous verrez que le nom de cette théorie n'est pas aussi farfelu que prévu. Cette théorie dit que tout concept est représenté par un réseau de neurones proches, des réseaux locaux de petite taille. A l’extrême, les concepts sont représentés par un seul neurone. D'où la boutade comme quoi on aurait un neurone pour le concept de "grand-mère". La théorie exacte est plus compliquée que cela, mais cette description simplifiée n'est pas si fausse. Pour faire moins simple, le cerveau aurait une organisation hiérarchique, en forme d'arbre hiérarchique. Les neurones en bas de l'échelle coderaient des propriétés sensorielles simples, alors que ceux tout en haut coderaient des concepts abstraits. Plus on monte dans la hiérarchie, plus les propriétés sont assemblées pour coder des stimulus de plus en plus complexes et abstraits. Par exemple, telle ensemble de stimulus serait assemblé pour coder des formes, qui seraient elle-mêmes assemblées en représentation visuelles d'objets, qui seraient combinées avec d'autres représentations sensorielles pour donner des concepts abstraits, et ainsi de suite.
 
===Le codage neuronal distribué des engrammes===
 
D'autres expériences ont répliqué ces résultats, mais avec quelques nuances. Dans le détail, les réponses ne sont pas aussi spécifiques que dans l'expérience princeps. Les neurones ont tendance à réagir à non pas un seul stimulus bien précis, mais à plusieurs stimulus semblables de la même catégorie. Par exemple, des expériences ont montré que les neurones du cortex temporal inférieur s'activent quand on présente des visages, mais pas à d'autres stimulus. De même, si on répliquait l'expérience princeps, on verrait que certains neurones qui répondent aux images de Luke Skywalker répondraient sans doute à une image de Yoda, à une image de TIE-fighter, etc. De même, plusieurs neurones différents peuvent répondre au même stimulus. Bref : le codage neuronal n'est pas aussi précis que ce que postule la théorie du neurone grand-mère.
 
En réalité, l'engramme n'est pas qu'un seul neurone, mais un réseau de neurones qui code aussi pour d'autres concepts similaires. Par exemple, si on prend le réseau de neurones qui répondent au concept "chat", certains de ces neurones font partie d'un autre réseau qui code le concept de mammifère, d'autres font partie du réseau du concept "mignon", etc. Ce codage est assez efficient, dans le sens où des concepts semblables qui partagent des points communs, vont partager un même réseau neuronal.
 
De nos jours, on ne sait pas si la localisation d'un concept dans le cerveau est locale ou distribuée dans l'ensemble du cerveau. On pourrait imaginer deux cas : soit l'engramme est localisé, soit il est distribué dans l'ensemble du cerveau. Dans le premier cas, l'engramme est local, il connecte des neurones proches, localisés dans un endroit du cerveau très petit. Dans le second cas, l'engramme connecte des réseaux de neurones assez grands, avec des neurones distribués dans des régions éloignées du cerveau.
 
==Le codage de l'information dans l'influx nerveux==
 
[[File:Orientation V1.svg|centre|vignette|upright=2|Réponses des neurones de la couche V1 du cortex visuel, en fonction de l'orientation d'un stimulus visuel.]]
 
La sélectivité des neurones a une importance assez capitale dans le système sensoriel. Mais sa présence dans le reste du cerveau est encore en débat. D'ailleurs, cette question de la sélectivité des neuroens nous amène au point de la section suivante.
 
==Le codage de l'information dans les réseaux neuronaux==
 
CommençonsPassons parmaintenant étudierà leun premierautre problème : comment l'information est représentée dans un réseau de neurones ? Mine de rien, la question est très compliquée et les scientifiques s'écharpent encore pour savoir quelle est la réponse. La réponse a de nombreuses implications quant au fonctionnement de la mémoire. En effet, savoir comment un souvenir ou une connaissance est codée dans le cerveau est un problème assez connu en neuroscience, qui s'appelle le problème de l''''engramme'''. L'engramme est la trace qu'un apprentissage dans le cerveau, le réseau de neurone qui correspond à ce qui a été appris. Quand on apprend quelque chose, des changements biochimiques et structuraux ont lieu dans le cerveau et les réseaux neuronaux s’altèrent. Le résultat de ces modifications est l'engramme proprement dit, le substrat biologique de l'apprentissage. Reste à savoir si ce substrat est localisé à un endroit bien précis dans le cerveau et où.
 
===La théorie de la cellule grand-mère===
 
La première avancée expérimentale importante sur le sujet date des années 2000, avec les travaux de ''Rodrigo Quian Quiroga'', dans son article "''Concept cells: the building blocks of declarative memory functions''". L'étude suivait un protocole assez simple, basé sur des enregistrements électrophysiologiques de neurone isolés. Les chercheurs ont recruté des patients épileptiques qui devaient se faire opérer du cerveau. L'opération avait pour but d'enlever le morceau de cerveau responsable des crises (très graves chez ces patients, d'où le fait qu'ils aient recours à cette opération). les chirurgiens, soucieux de limiter au maximum d'éventuelles séquelles neurologiques/cognitives, cherchent à circonscrire le morceau de cerveau à enlever au minimum. Pour cela, ils placent des électrodes dans le cerveau de leurs patients, pour vérifier qu'ils n’enlèvent rien d'important. Les chercheurs ont alors demandé aux sujets s'ils pouvaient faire quelques expériences et regarder les résultats sur les électrodes mentionnées. Une dizaine de patients a accepté (ce qui est un échantillon assez faible, mais passons). Les enregistrements des électrodes captent l'activité de plusieurs neurones, mais des traitements informatiques permettent, en théorie, d'isoler le signal de neurones seuls.
 
Dans leurs expériences, les chercheurs présentaient des images diverses aux sujets et regardaient ce que les électrodes captaient. Les résultats étaient assez surprenants. Les chercheurs avaient remarqués que les réponses neuronales étaient assez spécifiques et que les neurones ne s'activaient que pour un type de stimulus bien précis, voire pour des stimulus uniques. Par exemple, chez un de leur patient, un neurone s'activait quand on présentait une image de ''Jennifer Anniston'', mais aussi quand on affichait le nom de l'actrice sur un écran ou quand on prononçait son nom à l'oral. Un autre patient avait la même chose, mais pour des concepts comme l'opéra de Sydney, Luke Skywalker et quelques autres. Et les réponses étaient spécifiques de ces stimulus : les neurones concernés ne réagissaient pas quand on présentait une image toute autre. En somme, ces neurones codaient pour un concept, ici des personnes. Précisons que les neurones en question étaient localisés dans le lobe temporal médian, une région du cerveau impliquée dans la mémoire, la compréhension du langage, la catégorisation et la reconnaissance des objets.
 
[[File:Grandmother Cell.jpg|vignette|Théorie de la cellule grand-mère. On aurait un neurone spécifique à Jennifer Anniston, aux polyèdres, etc.]]
 
Cette expérience colle assez bien avec une théorie du codage neuronal, appelée la '''théorie du neurone grand-mère'''. Vous verrez que le nom de cette théorie n'est pas aussi farfelu que prévu. Cette théorie dit que tout concept est représenté par un réseau de neurones proches, des réseaux locaux de petite taille. A l’extrême, les concepts sont représentés par un seul neurone. D'où la boutade comme quoi on aurait un neurone pour le concept de "grand-mère". La théorie exacte est plus compliquée que cela, mais cette description simplifiée n'est pas si fausse. Pour faire moins simple, le cerveau aurait une organisation hiérarchique, en forme d'arbre hiérarchique. Les neurones en bas de l'échelle coderaient des propriétés sensorielles simples, alors que ceux tout en haut coderaient des concepts abstraits. Plus on monte dans la hiérarchie, plus les propriétés sont assemblées pour coder des stimulus de plus en plus complexes et abstraits. Par exemple, telle ensemble de stimulus serait assemblé pour coder des formes, qui seraient elle-mêmes assemblées en représentation visuelles d'objets, qui seraient combinées avec d'autres représentations sensorielles pour donner des concepts abstraits, et ainsi de suite.
 
===Le codage neuronal distribué des engrammes===
 
D'autres expériences ont répliqué ces résultats, mais avec quelques nuances. Dans le détail, les réponses ne sont pas aussi spécifiques que dans l'expérience princeps. Les neurones ont tendance à réagir à non pas un seul stimulus bien précis, mais à plusieurs stimulus semblables de la même catégorie. Par exemple, des expériences ont montré que les neurones du cortex temporal inférieur s'activent quand on présente des visages, mais pas à d'autres stimulus. De même, si on répliquait l'expérience princeps, on verrait que certains neurones qui répondent aux images de Luke Skywalker répondraient sans doute à une image de Yoda, à une image de TIE-fighter, etc. De même, plusieurs neurones différents peuvent répondre au même stimulus. Bref : le codage neuronal n'est pas aussi précis que ce que postule la théorie du neurone grand-mère.
 
En réalité, l'engramme n'est pas qu'un seul neurone, mais un réseau de neurones qui code aussi pour d'autres concepts similaires. Par exemple, si on prend le réseau de neurones qui répondent au concept "chat", certains de ces neurones font partie d'un autre réseau qui code le concept de mammifère, d'autres font partie du réseau du concept "mignon", etc. Ce codage est assez efficient, dans le sens où des concepts semblables qui partagent des points communs, vont partager un même réseau neuronal.
 
De nos jours, on ne sait pas si la localisation d'un concept dans le cerveau est locale ou distribuée dans l'ensemble du cerveau. On pourrait imaginer deux cas : soit l'engramme est localisé, soit il est distribué dans l'ensemble du cerveau. Dans le premier cas, l'engramme est local, il connecte des neurones proches, localisés dans un endroit du cerveau très petit. Dans le second cas, l'engramme connecte des réseaux de neurones assez grands, avec des neurones distribués dans des régions éloignées du cerveau.
 
<noinclude>
38 276

modifications