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Les neurones ne sont pas seulement des accès à la logique

cerveau neurones Sep 29, 2021

Dans la rangée du haut, les neurones de souris sont marqués avec une sonde fluorescente qui révèle l'activité électrique. Dans la rangée du bas, les neurones sont marqués avec une variante de la sonde qui s'accumule spécifiquement dans les corps cellulaires des neurones, empêchant les interférences des axones des neurones voisins. Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs Fluorescent Brain Probe Visualizes Groups of Neurons As They Compute (Une sonde cérébrale fluorescente permet de visualiser des groupes de neurones pendant leur fonctionnement).

 

Une étude publiée dans la revue Science a bouleversé 80 ans d'idées reçues dans le domaine des neurosciences computationnelles, selon lesquelles le neurone était un point nodal ponctuel dans un système, recevant des signaux et les transmettant. Ce modèle du neurone en tant qu'intégrateur, également connu sous le nom de modèle du neurone "stupide", a fortement limité la conception de ce que peut faire un neurone, et donc le fonctionnement des réseaux neuronaux et du cerveau dans son ensemble. Cela a non seulement empêché le développement d'une compréhension complète de l'activité neuronale dans les régions cérébrales supérieures du cortex, mais a également eu un impact négatif sur l'informatique, en limitant de manière significative le développement des réseaux informatiques neuromorphiques en les basant  sur un modèle incomplet.

Les nouvelles recherches du professeur Matthew Larkum, neuroscientifique à l'université Humboldt, et de son équipe ont mis en évidence un système de traitement de l'information rarement observé auparavant dans les dendrites uniques des neurones pyramidaux néocorticaux. Il utilise un traitement progressif du signal avec des potentiels d'action dendritiques médiés par le calcium, par opposition aux potentiels d'action typiques “tout ou rien” observés dans le flux d'ions sodium et potassium. Dans ces potentiels d’action le courant électrique est conduit à travers le système nerveux, appelé potentiel d'action, via le flux de grands cations comme le sodium, le potassium, le magnésium et le calcium).

 


Les dendrites sont des prolongements protoplasmiques ramifiés de la membrane cellulaire du neurone, comme un arbre dont les branches partent du tronc. Ce sont des arborisations du soma du neurone qui contiennent l'architecture synaptique nécessaire pour recevoir, traiter et transmettre des signaux électriques provenant des axones des neurones adjacents. Dans certaines classes de neurones, il existe des milliers de dendrites et, si l'on additionne toutes les structures subsynaptiques, un seul neurone peut former jusqu'à 100 000 connexions de traitement et d'intégration des signaux. Elles sont si étendues que la modélisation de cette connectivité nécessite souvent un simulateur mathématique à 11 dimensions.

Les recherches récentes ont permis de découvrir que la dendrite est bien plus qu'un simple récepteur et intégrateur de signaux. Il existe une architecture sous-synaptique complexe qui confère à la dendrite la puissance de traitement normalement attribuée à un réseau neuronal multicouche. C'est-à-dire que la dendrite peut à elle seule effectuer des calculs complexes, et donc que la puissance de traitement multiparallèle d'un seul neurone dépasse de loin ce que l'on supposait par convention.

En commentant le modèle du neurone en tant que simple intégrateur, Bartlett Mel, neuroscientifique computationnel à l'université de Californie du Sud, a déclaré : "Ce modèle réduisait essentiellement le neurone à un point dans l'espace"... "Il n'y avait pas d'articulation interne de l'activité". Le modèle ignorait le fait que les milliers d'entrées qui affluent dans un neurone donné atterrissent à différents endroits le long de ses diverses dendrites. Il ignorait l'idée (au final  confirmée) que les dendrites individuelles pouvaient fonctionner différemment les unes des autres. Et il ignorait la possibilité que les calculs soient effectués par d'autres structures internes.

Cette nouvelle découverte confirme une prédiction faite par le groupe de recherche scientifique de Torus Tech. En décrivant le rôle de la cytoarchitectonique moléculaire du cerveau et son rôle dans la conscience, il a été statué :

 

La complexité invariant et sans échelle associée au système biologique en général, et au neurone en particulier, signifie qu'à l'intérieur de chaque cellule se trouve un véritable cerveau macromoléculaire, du moins en termes de complexité structurelle, et peut-être aussi, dans une certaine mesure, de complexité fonctionnelle - une hiérarchie fractale. Cela signifie que la vision extrêmement simpliste de la synapse comme un simple bit numérique ne reflète pas la réalité. En effet, si nous devions utiliser le langage du modèle neuro-informatique, chaque "unité de calcul" contiendrait un véritable cerveau macromoléculaire. Il n'existe pas encore de technologie informatique ou humaine équivalente à cela.

 - William Brown, Cours sur les grandes questions de la Resonance Académie, Leçon III : Le Nexus d'information hologrammique cellulaire | Conscience et encodage de la mémoire dans les systèmes cellulaires et macromoléculaires. 2018

 

Le modèle décrit dans un cours à venir, The Cellular Hologramic Information Nexus (Le Nexus d'information hologrammique cellulaire), consiste essentiellement à dire que la puissance de calcul normalement attribuée au cerveau dans son ensemble est probablement contenue dans un seul neurone. En effet, les dernières recherches confirment qu'un traitement de l'information à plusieurs niveaux se produit dans un seul neurone, et ce, en évaluant uniquement les structures sub-synaptiques de la dendrite. Lorsqu'elle est étendue aux structures internes des réseaux de filaments d'actine et à la matrice réticulaire mitochondriale, qui peuvent fonctionner selon des principes quantiques pour un traitement parallèle massif, la capacité de calcul d'une cellule unique s'avère stupéfiante.

Gordon Shepherd, de l'école de médecine de Yale, l'a déclaré en disant : "une grande partie de la puissance de traitement qui a lieu dans le cortex a en fait lieu à un niveau inférieur ; un système à neurone unique peut être plus qu'un simple système d'intégration. Il peut être constitué de deux couches, voire plus." En théorie, presque tous les calculs imaginables pourraient être effectués par un seul neurone avec suffisamment de dendrites, chacune capable d'effectuer sa propre opération non linéaire.

 

Article de William Brown, Biophysicien chez Torus Tech

 

Référence : https://science.sciencemag.org/content/367/6473/83/suppl/DC1

 

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