Du Big Bang au Cerveau

 

4-0  Comment le Cerveau décide.

 

 

 

 

 

Ce que j'ai compris en lisant cet Article,  que je reprends ci dessous, c'est comment on peut  mesurer le point d'inflexion  qui correspond au moment où le cerveau prend sa décision. C'est la mesure de  l'Entropie,  c'est à dire de la structure finale de la solution qui jouera le rôle essentiel dans la décision. Cette mesure ne peut que s'effectuer que sur l'énergie globale qui est investie pour résoudre  ce problème complexe exécuté en   parallèle  sur plusieurs fonctions distinctes qui sont activées en même temps au départ et qui au fur et à mesures qu'elles concluent   libèrent et maintiennent  leur décision partielle qu'elles ont traitée. L'énergie Q est la mesure associée physiquement à l'Entropie Q/T à la Température  de T=37°C  constante du cerveau. L'Entropie mesure la complexité de la structure mise en place au départ et elle croît rapidement jusqu'à un maximum de moyens mis en oeuvre. La mise en route du processus se voit directement à l'I.R.M car chaque neurone concerné émet un courant électrique après son traitement dans son noyau de l'information.  Au fur et à mesure des conclusions partielles et des croisement de résultats la structure se stabilise pour ensuite décroître avec les résultats partiels qui s'affirment et sont probablement maintenu au niveau du thalamus. Ce retour d'informations qui croît au départ va se stabiliser après un maximum et fera apparaître un point d'inflexion dans le flux d'énergie nécessaire à la construction de la structure d'énergie dépensée pour résoudre le problème.  Le point d'inflexion mesurable permet de déceler la décision.   Tout cela n'est que spéculation mais sans aucun doute mesurable    alors......

 

 

 On comprend désormais mieux comment le cerveau prend une ... - Slate

 

On comprend désormais mieux comment le cerveau prend une décision.

Mathieu Wolff — 5 avril 2018 à 16h00 — mis à jour le 5 avril 2018 à 16h00

 

Deux régions cérébrales, le cortex et le thalamus, coopèrent et échangent des informations pour faire des choix rapides et adaptés.

 

 

 

Introduction.

(Je reprend ici une publication scientifique récente parue dans Slate  qui expose ce problème fondamental de la prise de décision du cerveau qui est nécessairement complexe. 

(1) Comment prendre une décision rapide et adaptée dans un environnement complexe et changeant? Dès lors, il semble raisonnable de postuler que l’évolution a favorisé le développement d’une architecture cérébrale permettant une prise de décision rapide et adaptée.               C'est cette solution que j'aborde ici dans mes remarques( ) en fin de texte. )

 

 

Article.

 

Comment prendre une décision rapide et adaptée dans un environnement complexe et changeant? C’est une question à laquelle nous sommes tous confrontés, pris dans les flots d’information parfois contradictoires propres à la vie moderne. De façon plus pragmatique, il s'agit d'un enjeu de survie pour tous les organismes vivants qui naviguent entre la nécessité de quérir des ressources et celle d’éviter les prédateurs. Dès lors, il semble raisonnable de postuler que l’évolution a favorisé le développement d’une architecture cérébrale permettant une prise de décision rapide et adaptée. En identifier les principes fonctionnels est un enjeu majeur des neurosciences contemporaines.(1)

 

 

 

Une importance démesurée accordée au cortex

 

Classiquement, il a été considéré que les fonctions cognitives les plus avancées, comme la capacité à raisonner, à planifier ou encore à élaborer des stratégies en vue de résoudre un problème, devaient nécessairement s’incarner dans les régions du cerveau les plus évoluées. (2) De ce raisonnement découle un large intérêt des neuroscientifiques pour le cortex, et plus particulièrement pour sa partie dite préfrontale. Cet engouement, s’il est compréhensible, a pour inconvénient d’occulter l’apport fonctionnel d’autres régions cérébrales.

Ensuite, le cortex préfrontal –comme les autres régions corticales– fait l’objet de projections anatomiques importantes de la part d’autres régions cérébrales, enfouies sous le cortex et apparues plus tôt dans l’évolution. Ces projections sont certainement appelées à jouer un rôle fonctionnel important.(3)

 

 

 

Une vision classique du thalamus réductrice 

 

Une région sous-corticale précise retient particulièrement l’attention: le thalamus, source principale de l’innervation de l’ensemble du cortex, et particulièrement de sa subdivision préfrontale. Les liens anatomiques entre cortex et thalamus sont si étroits qu’à l’origine, les différentes régions corticales sont définies selon l’origine thalamique principale des connexions qui les innervent.

Il faut concevoir le thalamus comme une structure fortement différenciée, constituée d’une multitude de «noyaux» –des groupements de neurones– ayant chacun une connectivité corticale qui lui est propre. La partie dorsale du thalamus est la source majeure des afférences du cortex préfrontal, tandis que d’autres noyaux thalamiques innervent le reste du cortex.

Initialement, le rôle du thalamus était conçu comme celui d’un transfert passif de l’information vers l’étage cortical supérieur, où les opérations mentales complexes sont censées opérer. Selon cette vision classique, exposée dans les manuels pendant des décennies, la fonction de cette structure ancienne s’apparente à un simple relais, qui n’apporte pas de contribution fonctionnelle originale.

 

Des faits cliniques et expérimentaux majeurs indiquent que cette conception est manifestement incomplète, voire erronée, mais ils ne suffiront pas à capter l’attention de la majorité des neuroscientifiques, plus préoccupés par les structures cérébrales dont le rôle fonctionnel apparaît plus immédiatement –à ce jour, près de 25.000 études ont par exemple été publiées sur le rôle du cortex dans les fonctions cognitives.

Dès le début des années 1980, le rôle du thalamus dans la mémoire a pourtant été reconnu. Quelques années plus tard, certaines conceptions théoriques issues de la neurophysiologie ont fait valoir le fait que le cortex envoie lui aussi, en retour, des projections vers le thalamus (4) et donc que cette dernière région ne saurait être limitée à un rôle de relais –ce sont notamment les travaux et conceptions princeps de Guillery et Sherman, dont une perspective est désormais disponible.

 

 

 

Un changement de paradigme

 

Ces considérations finissant par trouver un certain écho, des études plus nombreuses ont vu le jour, qui établissent des interactions fonctionnelles entre cortex et thalamus.

S’amorce ainsi un véritable changement de paradigme: on passe progressivement d’une vision où le thalamus relaye les informations importantes au cortex pour un traitement approprié, à celle où deux partenaires coopèrent pour réaliser des opérations cognitives importantes.

Il faut néanmoins attendre les toutes dernières années et la mise à disposition de nouvelles techniques en neurobiologie pour véritablement s’attaquer aux principes fonctionnels à l’oeuvre dans les «boucles» formées par les projections réciproques unissant cortex et thalamus.

 

Les neurones du cortex préfrontal qui innervent le thalamus apparaissent en rouge.

Ces techniques sont basées sur les progrès de la génétique et de l’ingénierie virale; elles permettent de prendre le contrôle de certains neurones d’intérêt, que le chercheur pourra soit inhiber, soit au contraire activer de façon très sélective.

Les techniques les plus avancées permettent de modifier des neurones d’intérêt en les dotant de récepteurs sensibles à certaines longueurs d’onde lumineuse (optogénétique) ou à des substances pharmacologiques exogènes à l’organisme (pharmacogénétique).

L’intérêt principal de ces techniques est de permettre d’exercer un contrôle sur une catégorie bien définie de neurones, avec une sélectivité sans précédent. En utilisant des vecteurs viraux aux propriétés complémentaires, on peut cibler exclusivement les neurones thalamiques qui innervent le cortex, ou bien au contraire les neurones corticaux qui innervent le thalamus.

Nous pouvons désormais étudier de façon spécifique les éléments constituants de ces fameuses boucles: les voies thalamocorticales (du thalamus vers le cortex) et les voies corticothalamiques (du cortex vers le thalamus).

 

 

 

L'apport de l'apprentissage instrumental

 

Avec ces outils, nous pouvons désormais manipuler les boucles thalamocorticales. Encore faut-il savoir à quoi ressemble une décision «rapide et adaptée» chez le rat de laboratoire.

Quand un mammifère prend une décision puis effectue une action pour atteindre un but, il forme une représentation mentale de la valeur de la récompense escomptée et du lien causal entre son action et l’effet qui en résulte. Quand ces deux critères sont établis, on parle d’un «comportement dirigé vers un but». Ces capacités de représentation peuvent être étudiées au laboratoire par des procédures issues de la psychologie expérimentale.

Le principe général repose sur un apprentissage dit «instrumental»: l’animal apprend que deux actions différentes –pousser un levier ou bien une tige métallique– permettant l’obtention de deux récompenses alimentaires distinctes, qui leur sont spécifiquement associées. Il apprend également le lien causal entre le fait de réaliser l’action et ce qui en découle. Des manipulations spécifiques permettent d’étudier comment l’animal peut mettre à jour la représentation de ces deux attributs

–valeur de la récompense et lien causal entre l’action et son effet–.

 

 

L’animal apprend que deux actions différentes –pousser un levier ou actionner une tige métallique– permettant d’obtenir deux récompenses spécifiques, initialement également attractives pour l’animal. À la suite de manipulations spécifiques, l’animal peut être placé en situation de choix entre ces deux actions. Il devra fonder ce choix soit sur la valeur courante des récompenses («Maintenant que j’ai consommé beaucoup de pastilles marron, je préférerais obtenir la pastille bleue»), soit sur la contingence, le lien causal entre l’action et son effet («Que se passe-t-il quand je presse le levier ou que j’actionne la tige métallique?»).

Dans le premier cas, on va changer temporairement la valeur de l’une des récompenses, en permettant à l’animal de la consommer à volonté. Lorsqu’après cette phase, l’animal sera immédiatement placé en situation de faire un choix entre les deux actions, il va préférentiellement opter pour celle qui conduit à la récompense qui n’a pas été largement consommée au préalable: l’appétence relative de la récompense largement consommée a diminué.

Ensuite, on peut modifier l’apprentissage instrumental initial de façon subtile: presser le levier conduit toujours à la récompense qui lui a été précédemment associée, mais presser la tige métallique n’est plus nécessaire, car les récompenses qui lui étaient spécifiquement associées sont distribuées même si l’animal n’effectue aucune action. Placé à nouveau en situation de choix, l’animal va cette fois préférentiellement opter pour l’action qui permet effectivement d’obtenir la récompense plutôt que celle dont la relation de contingence avec la récompense a été ainsi dégradée.

 

 

Deux voies, deux rôles

 

Muni de l’ensemble de ces outils viraux et comportementaux, nous avons pu étudier en laboratoire le rôle fonctionnel des voies thalamocorticales et corticothalamiques dans la capacité à prendre une décision.

Pour ce faire, nous avons réalisé deux expériences complémentaires visant à inhiber de façon transitoire et spécifique, par la méthode pharmacogénétique, les neurones thalamiques innervant le cortex préfrontal ou bien, au contraire, les neurones corticaux innervant le thalamus.

À chaque fois, nous avons examiné le choix des animaux lorsque nous évaluons la valeur courante de la récompense ou le lien causal entre l’action et son effet.

Les résultats que nous avons obtenus permettent d’établir que ces voies ont un rôle complémentaire mais néanmoins différent: inhiber la voie corticothalamique empêche les animaux de fonder leur choix sur la valeur courante de la récompense, mais pas sur l’effet escompté de l’action. Inhiber la voie thalamocorticale est à l’inverse essentiellement délétère pour baser le choix sur le lien causal entre l’action et son effet.

 

 

Schéma d’un cerveau de rat montrant que les deux attributs principaux de la prise de décision, valeur de l’action et contingence, sont implémentés de façons différentielles par les voies thalamocorticales et corticothalamiques.

 

À LIRE AUSSI Que se passe-t-il dans le cerveau quand on tombe amoureux?

 

 

Mieux appréhender certains troubles mentaux

 

Ces résultats vont clairement l’encontre de la vision classique du thalamus conçu comme un relais, puisqu’ils font au contraire apparaître le cortex préfrontal et le thalamus comme deux partenaires ayant chacun une partition à tenir pour une prise de décision adaptée. La direction de propagation de l’information apparaît dès lors comme une caractéristique fonctionnelle importante des circuits thalamocorticaux.

Cette caractéristique ouvre de nouvelles perspectives pour mieux appréhender les principes de fonctionnement des circuits neuronaux. De nombreuses régions cérébrales sont réciproquement connectées et éprouver la généralité du principe de direction des informations apparaît comme un objectif important.

Au-delà, l’enjeu reste de mieux comprendre le fonctionnement de notre cerveau, et la disponibilité d’outils viraux appropriés permet désormais de questionner véritablement sa connectivité fonctionnelle. C’est une condition nécessaire pour mieux appréhender les troubles mentaux justement perçus comme des désordres de connectivité fonctionnelle entre aires cérébrales, comme la schizophrénie. (5)

 

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.

En savoir plus: Sciences cerveau neurosciences prise de décision cortex neurobiologie

Mathieu Wolff Chargé de recherche CNRS.

 

 

 

 

 

 

Mes remarques et explications sur cet article: 

 

Cet article m'a apporté l'outil informatique en boucle nécessaire à l'évaluation de l'activité globale des différentes parties du cortex intervenant dans la résolution d'un problème complexe. Cette complexité se mesure par celle de sa structure.

 

 

(1) Comment prendre une décision rapide et adaptée dans un environnement complexe et changeant? Dès lors, il semble raisonnable de postuler que l’évolution a favorisé le développement d’une architecture cérébrale permettant une prise de décision rapide et adaptée.

 

La solution est dans les lois Physiques fondamentales de l'évolution qui se basent sur le principe de moindre effort ou plutôt de moindre action ou énergie. Ce sont ces mêmes lois qui s’appliquent à tout l'univers du Big Bang au Cerveau. Pour cela il nous faut mesurer le minimum d'énergie ou gain d'Entropie du système étudié.

 

 

(2) Les fonctions cognitives les plus avancées, comme la capacité à raisonner, à planifier ou encore à élaborer des stratégies ou structures en vue de résoudre un problème.

 

Ceci concerne le traitement de l'Information et sa mesure qui devrait intervenir à ce niveau en particulier par sa Structure qui doit concentrer un maximum d'informations dans un minimum de structure. C'est ce minimum de structure qui déclanchera l'action adaptée.

 

 

(3) C'est Le Thalamus qui joue un rôle fondamental dans la détection du déclanchement de l'action à effectuer. Ceci probablement en collectant le niveau d'activité de chacun des «noyaux» pour en déduire la complexité et l'énergie dépensée par la structure globale du problèe posé.

 

 

(4) Ces noyaux du Thalamus sont en boucle avec les différentes parties du cortex traitant différentes informations concernant le problème à traiter. Il nous faut un système bouclé pour évaluer en permanence le niveau d'énergie concernant l'information et le travail des Boucles thalamocorticales (des informations bien dirigées pour une décision adaptée). Le Talamus regroupe toutes ces informations pour détecter un minimum global déclanchant le choix et la décision. C'est ce qui permettra l’existence d'une conscience globale.

 

 

(5) Il est certain que dans quelques cas le système diverge au lieu de converger et alors....

 

 

(6) C'est vrai que comme pour un traitement informatique il nous faut aussi pouvoir synchroniser ces informations. Trois Américains Hall, Rosbash et Young reçoivent le prix Nobel de médecine 2017 pour avoir mis en évidence des gènes impliqués dans le rythme circadien de la drosophile et en 1984, ils ont isolé le gène period qui contrôle le rythme biologique circadien. En 1994, Michael Young a découvert un deuxième gène, timeless, qui code la protéine TIM, nécessaire à un rythme circadien normal. Il a aussi montré que TIM se lie à PER ; les deux protéines entrent dans le noyau de la cellule et bloquent l'activité du gène period grâce à un rétrocontrôle négatif.

 

(7) On a besoin de machines de Turing-complète et ce sont les noyaux de chacune des cellules des neurones qui réalisent ces fonctions de base logiques. Cette machine abstraite fondamentale permet de résoudre tous les problèmes algorithmiques et algébriques qui sont caculables. Elle se réduit à une bande mémorisant les données et les programmes et une tête de lecture-écriture qui traduit les code en opérateurs et en données. On a là la conception de base des processeurs informatiques.

 

 

Cette machine de Turing universelle a potentiellement la capacité de calculer tout ce qui est calculable.

 

 

En lui fournissant le codage adéquat, elle peut simuler toute fonction récursive, analyser tout langage récursif, et accepter tout langage partiellement décidable. Selon la thèse de Church-Turing, les problèmes résolubles par une machine de Turing universelle sont exactement les problèmes résolubles par un algorithme ou par une méthode concrète de calcul. C'est le processeur basique universel qui se retrouve dans chaque noyeau où l'ADN est la bande et le ribosome la tête de lecture universelle.

 

 

(8) Le ribosome est la machine de Turing qui décode dans l'ADN la sécance des acides aminés de la fabrication des protéines adaptées à la réponse désirée pour stimuler le métabolisme. Le ribosome est la machine et de création de la vie et des commandes pour sa régulation.

 

Vidéo à voir pour comprendre Le ribosome https://www.youtube.com/watch?v=3PzTswEnaCg

 

Le ribosome est la machine de Turing qui décode dans l'ADN la sécance des acides aminés de la fabrication des protéines adaptées à la réponse désirée pour stimuler le métabolisme. Le ribosome est la machine et de création de la vie et des commandes pour sa régulation. Ribosome — Wikipédia

Le ribosome est la machine et de création de la vie et de ses commandes pour sa régulation à partir du décodage de l'ADN.... La lecture du message porté par l'ARNm (copié dans l'ADN) et sa traduction sous forme de protéine sont assurées par le ribosome, une des plus complexes machines cellulaires. Le ribosome est constitué de trois molécules d'ARN et de plus d'une cinquantaine de protéines. Son rôle est le décodage d'une information écrite avec quatre codons – A, C, G, T de l'ADN, puis A, C, G, U de l'ARN – vers un alphabet à 24 lettres : les vingt acides aminés composant les protéines. Il réalise cette opération en lisant la séquence de l'ARN par groupes de trois bases, chaque triplet ou codon indiquant un acide aminé de la séquence de la protéine en cours de fabrication. …..

Le Cerveau est le super-ordinateur créé par l'ensemble des noyaux des neurones connectés en parallèle qui sont cablés par leur axone et gérés par le Thalamus. Le cablage se fait alors par des connexions électriques pour accélérer et synchroniser les transferts d'informations et les commandes vers les éléments de traitement fonctionalisés dans le cerveau.

La décision est prise lorsque la mesure du niveau d'activité du ou des noyaux spécifiques concernés du Thalamus qui gère le problème atteint son minimum. Cette énergie dépensée est mesurée par l'intensitée des flux des informations concernées traitées, c'est à dire des courants électriques échangés entre le thalamus et le cortex. Cette intensité au départ croît vers un maximum lorsque toutes les procédures de régulation se mettent en place puis décroît ensuite vers un minimum lorsque la selection aura généré la structure finale optimisée essentielle associée à la bonne décision. C'est ce minimum d'énergie dépensée qui déclanche la décision finale suivant en celà le principe universel du minimum d'augmentation d'Entropie ou d'énergie associée à la structure de la solution idéale. On optimise ainsi le temps de réponse par un traitement parallèle des informations mesurées. Cette mesure est celle de l'énergie de la structure de la construction du réseau de la solution optimisée.

 

 

 

(9) Le Cerveau est le super-ordinateur créé par l'ensemble des noyaux des neurones connectés en parallèle qui sont cablés par leur axone et gérés par le Thalamus. Le cablage se fait alors par des connexions électriques pour accélérer et synchroniser les transferts d'informations et les commandes vers les éléments de traitement fonctionalié dans le cerveau.

 

 

 

(10) La décision est prise lorsque la mesure du niveau d'activité du ou des noyaux spécifiques concernés du Thalamus qui gère le problème atteint son minimum. Cette énergie dépensée est mesurée par l'intensitée des flux des informations concernées traitées, c'est à dire des courants électriques échangés entre le thalamus et le cortex. Cette intensité au départ croît vers un maximum lorsque toutes les procédures de régulation se mise en place puis décroît ensuite vers un minimum lorsque la selection aura généré la structure finale optimisée essentielle associée à la bonne décision. C'est alors un minimum d'énergie dépensée qui déclanche la décision finale suivant en celà le principe universel du minimum associée à un minimum d'Entropie ou d'énergie associée à la structure de la solution idéale. On optimise ainsi le temps de réponse par un traitement en parallèle de toutes les informations mesurées. Cette mesure est celle de l'énergie de la structure de la construction du réseau de la solution optimisée.

 

 

 

 

Autre Article complémentaire.

cet article est là pour illustrer la complexité de ce problème mais reste aussi sans solution.

Lorsqu'ils collaborent, les macaques synchronisent leurs cerveaux
et le phénomène est dépendant de leurs rapports hiérarchiques.

Slate Madi 10 Avril 2018
Repéré par Peggy Sastre — 9 avril 2018 à 16h44 — mis à jour le 9 avril 2018 à 16h47

 

Une équipe de cinq chercheurs menés par Miguel Nicolelis de l'université de Duke vient de publier une étude montrant que lorsque des macaques effectuent une tâche collaborative, leurs cerveaux se synchronisent: dans la même zone de leur cortex moteur, leurs neurones déchargent en même temps. Un état dit de «synchronisation corticale inter-cérébrale» (ICS).
Ce phénomène est lié aux neurones miroirs, que les neuroscientifiques pensent essentiels aux interactions humaines et notamment à la façon dont nous pouvons nous identifier les uns aux autres. À l'inverse, des défaillances des neurones miroirs sont probablement impliquées dans les syndromes autistiques et autres troubles jouant sur nos aptitudes et nos comportements sociaux.

Par ailleurs, Nicolelis et ses collègues observent que l'ICS est modulée par les liens hiérarchiques que les singes peuvent entretenir entre eux.
«Nous pensons que notre étude pourrait ouvrir un champ d'investigation totalement nouveau, commente le scientifique, en démontrant que même les fonctions les plus simples du cortex moteur, comme la production de mouvements corporels, sont fortement influencées par le type de relations sociales que les animaux ont tissées.»

 

 

Une activité aussi modulée par le rang social.
Pour arriver à cette conclusion, les chercheurs ont enregistré l'activité du cortex moteur de deux singes pendant cette expérience: un premier animal (l'observateur) était installé sur une chaise fixe tandis qu'un autre (le passager) était assis sur un fauteuil roulant; en traversant la pièce, le passager était suivi des yeux par l'observateur. Une fois la trajectoire programmée effectuée, le passager était récompensé par du raisin et l'observateur par du jus de fruit.
Les scientifiques ont observé que les épisodes d'ICS permettent de prédire l'emplacement du fauteuil roulant et sa vitesse. L'activité cérébrale des macaques semble aussi dépendre de la distance qui les sépare et de celle qu'il reste à parcourir pour obtenir la récompense. Une activité qui est aussi modulée par le rang social des animaux dans leur colonie –les macaques rhésus étant parmi les primates les plus hiérarchiques.
Ainsi, lorsqu'un singe dominant était observé par un subalterne, l'ICS gagnait en intensité à mesure que le passager s'approchait de l'observateur. La synchronisation marquait son pic lorsque les animaux étaient suffisamment près pour se toucher –que ce soit pour se faire des papouilles ou se filer une mornifle.
Sauf que lorsque les positions étaient inversées –le dominant observateur et le dominé passager–, le phénomène ne se produisait pas et la synchronisation n'augmentait pas à mesure que les singes se rapprochaient l'un de l'autre. Ce qui laisse entendre que la hiérarchie sociale joue bien un rôle dans la synchronisation cérébrale des macaques.
Selon les chercheurs, de telles corrélations s'observent aussi très probablement chez les humains.
Une telle approche, explique Nicolelis, pourrait ainsi servir à «quantifier la collaboration d'athlètes, de musiciens ou de danseurs (...) et permettre d'améliorer la cohésion sociale» d'un groupe. Sur un plan médical, cette étude pourrait aussi contribuer à de meilleurs diagnostics des troubles du spectre autistique et à une meilleure évaluation de leurs traitements.