Cerveau | Dr. Goulu

Comment voir avec ses oreilles

Wed, 18 May 2016 00:00:00 +0000

Découvert avec stupéfaction l’existence de l’ : quelques aveugles sont capables de se repérer dans l’espace et de détecter des obstacles d’après les échos de petits sons qu’ils émettent, souvent des claquements de langue.

Un des plus célèbres était Ben Underwood, hélas décédé. Il était capable d’éviter des obstacles sur le trottoir, de rouler à bicyclette et de jouer au basket, entre autres activités étonnantes pour un aveugle

Aujourd’hui le plus célèbre est probablement qui, après avoir étudié ce sujet , a fondé une qui enseigne sa technique aux jeunes aveugles. Sa vaut le coup… d’œil :

_kish_how_i_use_sonar_to_navigate_the_world?language=fr

Dans un récent article du blog du cerveau , on apprend que Daniel Kish et Brian Bushway, un autre écholocateur, ont testé leur étonnante capacité dans un appareil d’ pour une étude scientifique . Comme ils ne pouvaient “cliquer” de façon utile dans cet environnement fermé et bruyant, les expérimentateurs leur ont repassé des sons préalablement enregistrés au niveau de leurs oreilles dans divers environnements.

Daniel Kish a été capable d’identifier correctement 99% des situations dans lesquelles les sons avaient été enregistrés, et Brian Bushway 82% ! L’écart s’explique peut-être par le fait que Bushway, 27 ans, est devenu aveugle à 14 ans alors que Kish 43 ans est aveugle depuis l’âge de 13 mois. Outre l’écart d’expérience, les mesures IRM ont montré qu’il est probable que la plasticité du cerveau à la petite enfance a aidé Kish plus que Bushway à réaffecter pour l’écholocation des parties du cortex normalement dévolues à la vision :

image de l’activité cérébrale de Kish (EB) et Bushway (LB) comparée à des sujets contrôle pendant l’audition d’échos de clicks

Le plus surprenant est arrivé lorsque les expérimentateurs ont eu l’idée saugrenue de faire écouter à Bushway des clicks de Kish et vice-versa. Kish a immédiatement dit qu’il avait l’impression d’être plus grand … Et effectivement, Bushway est nettement plus grand que Kish, qui a réussi à percevoir cette différence dans les échos : à 300 m/s, le son de la voix met une milliseconde de plus à être réfléchi par le sol si on mesure 15 cm de plus !

Références

Ben Underwood “The Boy Who Sees Without Eyes” ( )
Daniel C. Kish, “Evaluation of an Echo-Mobility Program for Young Blind People”, 1995, Master Thesis, Department of Psychology, California State University,‎ San Bernardino
sur le blog du cerveau
L. Thaler, S. R. Arnott, and M. A. Goodale, “Neural correlates of natural human echolocation in early and late blind echolocation experts” 2011, PLoS One, vol. 6, no. 5, e20162.
Jean-Claude Ameisen “ ”, émission radio “Sur les Epaules de Darwin”, France Inter 13 décembre 2014

Pour la Science d'octobre

Mon, 30 Sep 2013 00:00:00 +0000

Plusieurs articles du de ce mois d’octobre ( ) m’ont particulièrement intéressé.

“La naissance de l’écriture en Égypte” décrit comment cinq “systèmes graphiques” ornant des poteries ou des sceaux ont donné naissance aux hiéroglyphes vers l’an -3250 (notez la précision). Je n’avais jamais vraiment réalisé la différence fondamentale entre des dessins et une . Des dessins figuratifs peuvent être compris par tous, alors qu’une écriture représente les sons d’une langue qui doit être commune aux scribes aux lecteurs. Selon l’auteur de l’article, c’est la méconnaissance de la langue sous-jacente qui empêche de .

“Des failles dans le tableau périodique” tombe à pic pour faire suite à . La découverte de l’ ayant été confirmée et celle de l’ synthétisé une première fois en 2010 étant attendue, il ne restera plus qu’à obtenir les deux attendus cette décennie pour terminer l’oeuvre de Mendeleïev commencée en 1869 : toutes les lignes et colonnes du seront complètes. Si on parvient un jour à produire un noyau contenant plus de 120 protons, il appartiendra à une famille totalement nouvelle : les . Il est cependant difficile de prévoir les caractéristiques physico-chimiques de ces éléments, car les électrons orbitent autour de ces gros atomes à des vitesses relativistes, ce qui modifie considérablement les caractéristiques attendues en fonction de leur position dans le tableau. C’est la relativité restreinte qui fait que l’Or est jaune, et que le situé sous le Mercure dans le tableau a de nombreux points communs avec le Radon.

L’auteur de “Particules et champs sont-ils réels ?” , physicien et philosophe, se demande dans quelle mesure les notions indissociables de particules et de champs postulées par la et le correspondent à la réalité. Selon la physique, ces entités sont trop différentes de l’image que nous nous en faisons à partir des observations à notre échelle, comme “particule = petite boule de billard” et “champ = espace avec des valeurs en chaque point” alors que l’intrication quantique et les champs quantiques d’opérateurs ne correspondent à rien à notre échelle. Une susceptible de résoudre ces contradictions serait le , dans lequel seules les relations, les propriétés ou “structures” existent vraiment, et ce que nous appelons “objets” n’en seraient qu’une émergence. Si j’ai bien compris, une structure combinant une charge négative, un demi-spin et une saupoudrée de masse ferait “émerger” ce que nous appelons un électron.

Personnellement, j’ai découvert que mon me rend au moins un peu en découvrant ce passage:

La théorie rend compte de nos observations en termes de quarks, muons, photons et divers champs quantiques, mais elle ne nous dit pas ce qu’est véritablement un photon ou un champ quantique. Et elle n’a pas besoin de le faire, parce que les théories physiques peuvent être empiriquement valables en grande partie sans régler ces questions métaphysiques.

Pour de nombreux physiciens, c’est suffisant. Ils adoptent une attitude dite instrumentaliste : selon eux, les théories scientifiques ne représentent pas nécessairement la réalité du monde. Pour eux, les théories ne sont que des outils pour faire des prédictions expérimentales.

Et je le prouve : quelle expérience permettrait-elle de vérifier si le monde est “structurellement réaliste” plutôt que quantique+relativiste ? Aucune ? Alors cette “ontologie” n’a aucun autre intérêt que de simplifier éventuellement certaines formules. C’est très bien, c’est très beau, mais est-ce suffisant pour prétendre à être plus proche de la réalité ? Pourquoi ne pas accepter que ce soit les propriétés “simples” d’entités macroscopiques comme les boules de billard et les champs vectoriels qui “émergent” des propriétés quantiques ? Enfin, le réalisme structurel ne me semble pas permettre d’avancer sur une question physico/philosophique absolument fondamentale : . Sans ça, toute me semble désespérément planante…

les 14 types connus de pavages pentagonaux

L’article de Jean-Paul Delahaye sur les pavages pentagonaux remontera le moral de tous les mathématiciens célèbres qui sommeillent en nous. Imaginez qu’une brave dame nommée a découvert en l’espace de 10 ans quatre manières différentes de paver le plan avec des pentagones après que des mathématiciens professionnels aient plusieurs fois démontré qu’il n’en existait pas plus que ceux déjà connus. Aujourd’hui on connait les 14 pavages ci-dessus, mais il en existe peut-être plus… Un autre amateur, Jaap Scherphuis a listé ” dont on ignore si elle est complète. De plus, sa est une mine d’articles futurs…

Dans le genre “incroyable mais vrai”, Loïc Mangin présente le stupéfiant travail artistique de deux soeurs jumelles qui ont reproduit un récif de corail au crochet. Son article explique que la technique du crochet permet de générer la typique de nombreuses structures coralliennes. Pour en savoir plus, regardez la de Margaret Wertheim.

Récif corallien en crochet de l’Institute for Figuring des soeurs Wertheim

Enfin “L’élagage des souvenirs pendant le sommeil” propose une hypothèse contraire à celle communément admise selon laquelle les souvenirs acquis récemment sont renforcés lors du sommeil. Selon les auteurs, ce sont au contraire les synapses liées aux souvenirs “inutiles” qui sont affaiblies durant le sommeil. Pour eux, le tri des souvenirs “utiles” du “bruit de fond” se fait pendant le sommeil en mettant en correspondance tous les souvenirs acquis pendant la journée avec ceux plus anciens, en les combinant de diverses manières, ce qui provoque les rêves.

Et c’est exactement ce que je vais aller faire maintenant, juste après vous avoir recommandé de foncer au kiosque vous acheter ce numéro passionnant.

Références:

G. Graff, “La naissance de l’écriture en Égypte”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 40–47
E. Scerri, “Des failles dans le tableau périodique”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 66–71
M. Kuhlmann, “Particules et champs sont-ils réels ?” Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 56–62
J.-P. Delahaye, “Les pavages pentagonaux : une classification qui s’améliore”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 78–83.
L. Mangin, “Le crochet, le corail et la géométrie”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 86–87
G. Tononi and C. Cirelli, “Oublier pour mieux se souvenir pendant le sommeil”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 24–30

40 histoires sur le cerveau de l'homme

Tue, 02 Apr 2013 00:00:00 +0000

L’excellent livre du neurologue Laurent Cohen que je viens de dévorer s’appelle en fait “Pourquoi les filles sont si bonnes en maths: et 40 autres histoires sur le cerveau de l’homme” , mais le seul reproche que je lui ferai concerne justement ce titre marketing qui dénature l’une des 40 histoires intitulé “Les filles (ne) sont (pas) nulles en maths”.

Les 40 histoires thématiques et peu dépendantes les unes des autres sont courtes, écrites sous forme de dialogue “question - réponse” qui les rend très accessibles au public non scientifique (juste quelques noms de parties du cerveau ça et là), et regroupés en 6 chapitres:

Histoires de mémoires (sur les amnésies)
Histoires d’enfants (sur l’apprentissage)
Histoire morales et dégoûtantes
Histoires de voir (sur l’importance de la vision)
Autres histoires de cerveau
Histoire de médecine et choses utiles.

Chaque histoire se réfère à des expériences scientifiques récentes ou des cas de patients répertoriés dont le lecteur curieux peut trouver les références dans les dernières pages du bouquin. Voici les histoires que j’ai préférées (spoiler alert…), avec les références scientifiques copiées du livre en fin d’article.

Parfois, plus que les résultats eux-mêmes c’est l’ingéniosité des expérimentateurs qui étonne. Par exemple dans “les records d’une tête de linotte”, les scientifiques ont donné à des casse-noix d’Amérique des cacahuètes et des petits vers dont ils sont friands et qu’ils sont allés cacher une fois repus. Ensuite, les oiseaux relâchés après une courte période allaient majoritairement chercher les vers, alors que ceux relâchés plus tard “savaient” que les vers ne seraient plus là et sont allés chercher les cacahuètes, démontrant ainsi que ces oiseaux mémorisent l’emplacement de leurs cachettes non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps .

L’importance d’une bonne expérimentation apparaît aussi dans “douze bombons valent mieux que quatre”. Une célèbre expérience conduisit à affirmer (dans les années 1930?) que la notion de nombre abstrait n’apparaît que vers 7 ans. Mais en reproduisant l’expérience avec des bonbons plutôt que des cailloux en 1967, on s’aperçut que des 2 ans déjà un enfant sait très bien qu’il y a plus de bonbons sur la ligne où on en a serrés 12 plutôt que sur celle ou il y en a 4 très espacés . Plus récemment encore, on a montré que des bébés associent déjà un nombre de syllabes répétées comme “babababa” plutôt à un groupe de 4 objets qu’à un groupe de 8 .

En passant, il n’y a pas que les oiseaux, les bébés (et moi) dont le comportement dépend de l’appétit. L’histoire du “petit déjeuner du juge” montre que des décisions de justice sont systématiquement et fortement influencées par l’heure à laquelle elles sont prises . C’est peut-être la plus effrayante des expériences relatées dans ce livre…

Proportion des décisions de libération conditionnelle en faveur des prisonniers en ordonnée. Les points entourés indiquent les premières décisions de chacune des 3 sessions. Les graduation de l’abscisse marquent chaque trois cas. Les lignes pointillées dénotent les pauses repas. Moyenne sur plus de 1000 décisions prises par 8 juges sur 10 mois-

Le chapitre “Histoires de voir m’a particulièrement intéressé parce qu’Annick travaille avec des enfants et jeunes aveugles et malvoyants. Toutes les histoires de ce chapitre sont passionnantes, mais j’ai une préférence pour l’histoire de la dame aveugle depuis l’enfance et virtuose du Braille victime d’un AVC. Depuis elle ne peut plus du tout lire le Braille parce que la zone de son cerveau malheureusement touchée par son AVC est celle… de la vision

Le chapitre que j’ai trouvé le plus intéressant est “imagination et maladie d’Alzheimer”. Il concerne le “réseau du repos” (" ”), la partie du cerveau qui s’active quand nous ne faisons rien de particulier, quand nous ne nous concentrons pas sur une tâche particulière. Il semblerait que ce soit elle qui nous permet de rêvasser en , ou ailleurs . Et c’est dans cette zone que la maladie d’Alzheimer provoque le plus de micro-lésions …

Paru il y a un an, ce livre passionnant et très facile à lire vient d’être édité en poche : plus d’excuse pour ne pas le lire.

Références:

Laurent Cohen (2012). Pourquoi les filles sont si bonnes en maths: et 40 autres histoires sur le cerveau de l'homme. Odile Jacob.
Clayton NS, Dickinson A. J “Scrub jays (Aphelocoma coerulescens) remember the relative time of caching as well as the location and content of their caches.“Comp Psychol. 1999 Dec;113(4):403-16. ( )
J. Mehler and T. G. Bever, “Cognitive Capacity of Very Young Children,” Science, vol. 158, no. 3797, pp. 141–142, Oct. 1967.
V. Izard, C. Sann, E. S. Spelke, and A. Streri, “Newborn infants perceive abstract numbers.,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 106, no. 25, pp. 10382–5, Jun. 2009.
S. Danziger, J. Levav, and L. Avnaim-Pesso, “ .,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 108, no. 17, pp. 6889–6892, 2011.
R. Hamilton, J. P. Keenan, M. Catala, and A. Pascual-Leone, “ .,” Neuroreport, vol. 11, no. 2, pp. 237–40, Feb. 2000.
K. Christoff, A. M. Gordon, J. Smallwood, R. Smith, and J. W. Schooler, “Experience sampling during fMRI reveals default network and executive system contributions to mind wandering.,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 106, no. 21, pp. 8719–24, May 2009.
R. L. Buckner, A. Z. Snyder, et al. “Molecular, structural, and functional characterization of Alzheimer’s disease: evidence for a relationship between default activity, amyloid, and memory.,” Journal of Neuroscience, vol. 25, no. 34, pp. 7709–7717, 2005.

Combien de processeurs pour un cerveau ?

Mon, 11 Mar 2013 00:00:00 +0000

(article publié dans le cadre de la )

Lancé par dirigée par , le “ ” (HBP) vise à simuler un cerveau humain dans un superordinateur d’ici dix ans. Cet objectif extrêmement ambitieux a paru suffisamment réaliste à l’Union Européenne pour consacrer 1 milliard d’Euro à ce projet mêlant neurosciences et informatique.

Les neurosciences étant traitées par des blogueurs bien plus compétents que moi en la matière, cet article se limite à la partie facile et que je connais un peu : l’informatique. D’ailleurs, Markram et son équipe poursuivent une approche “bottom-up” compatible avec un grand principe de l’informatique :

Tout doit être construit de haut en bas (top-down), sauf la première fois. ( )

Dès la fin des années 1950 les chercheurs ont analysé le fonctionnement de neurones vivants et développé des modèles très simplifiés de neurones ayant débouché sur les très à la mode dans les année 1990 et qui ont permis de grand progrès dans des applications comme la notamment.

Les modèles actuels de neurones isolés sont beaucoup plus complexes et incorporent des modèles moléculaires comme le ou les . La simulation en temps réel d’un seul neurone exige une mémoire d’environ 1 Megabyte pour stocker toutes les variables qui définissent l’ “état” du neurone à chaque instant, et une puissance de calcul de 1 Giga , ce qui correspond:

au super ordinateur de 1985
à un PC de 1999
( ) un bon smartphone actuel

Depuis 2006, le de Markram a simulé non seulement le fonctionnement, mais aussi la croissance d’une (NCC), une structure d’environ 1mm³ comprenant environ 10'000 neurones fortement interconnectés, répartis sur 6 couches. Un superordinateur doté de 8192 processeurs pour un total d’environ 20 TeraFLOPS a été utilisé, ce qui fonde l’hypothèse de l’équipe selon laquelle la puissance et la mémoire nécessaires à la simulation augmentent linéairement avec le nombre de neurones, et heureusement pas avec le nombre de par exemple.

En extrapolant cette tendance linéaire, Markram estime qu’un ordinateur d'1 ExaFLOPS (un milliard de milliards d’opérations par seconde) doté de 100 PetaBytes de mémoire devrait être capable de simuler un cerveau humain contenant 100 milliards de neurones environ. Et en extrapolant aussi la , un tel superordinateur sera disponible en 2018.

D’autres comme , ou même qui simule 32'000 neurones sur votre PC confirment grosso-modo ces ordres de grandeur.

Performance du plus puissant ordinateur (en rouge) au cours du temps selon top500.org

Le lecteur attentif aura remarqué qu’on a “perdu” deux ordres de grandeur en route : 100 milliards de neurones x 1 GigaFLOPS par neurone devraient donner 100 ExaFLOPS, pas 1. L’idée est que les étapes intermédiaires, mesocircuit, puis cerveau de rat, permettront de simplifier la simulation des neurones individuels, voire de la remplacer par un modèle des NCC. Markram considère en effet qu’une NCC est “est au cerveau ce qu’un microprocesseur est à un ordinateur” . Si c’est le cas, alors un cerveau serait l’équivalent d’environ 10 millions de processeurs de 100 GigaFLOPS chacun “seulement” soit un bon PC actuelCependant, les marges d’erreur sont considérables comme on le voit dans la première figure:

il faudra peut-être une puissance 10x supérieure pour tenir compte de la
un autre facteur 10 pour tenir compte des
mais surtout un facteur pouvant atteindre 1000 pour simuler la croissance des neurones, leur par

De plus, l’approche du “Human Brain Project” consiste à initialiser le simulateur avec un cerveau à l’état embryonnaire, puis à le “laisser pousser” en évoluant dans un monde virtuel sur lequel il peut agir par l’intermédiaire d’un corps virtuel , . Il faudra donc des années pour que la simulation converge vers un cerveau adulte si on ne parvient qu’à une simulation “temps réel”. Pour pouvoir effectuer plusieurs simulations de croissance en un délai raisonnable (en “tuant” le cerveau à la fin…), il faudrait là encore gagner plusieurs ordres de grandeur.

Cette approche pourrait nécessiter des millions d’ExaFLOPS (je viens d’apprendre que ça s’appelle des yotaFLOPS), qui ne seraient disponibles que vers 2040. Ceci justifie le scepticisme de certains et motive des projets concurrents qui pourraient se révéler complémentaires. Ainsi Obama vient de décider d’injecter 3 milliards de dollars sur 10 ans dans le qui consiste essentiellement à cartographier le cerveau en activité au niveau cellulaire.

Si des appareils d’imagerie médicale devenaient capables de capturer les quelques 100 PetaBytes d’information correspondant à l’état instantané d’un cerveau vivant, on pourrait imaginer un vers un “Personal Cerveau” de bureau d'1 ExaFLOPS dès 2032 .

dessin: Arnaud Rafaelian, membre de Strip-Science (cliquer)

En attendant, il y a toujours moyen de fabriquer un cerveau humain parfaitement fonctionnel, indépendant et consommant peu d’énergie électrique en quelques minutes de conception, 9 mois de montage et quelques années de programmation …

Références:

Henry Markram “ ", Pour la Science N°425, mars 2013
Lettvin, J.Y., Maturana, H.R., McCulloch, W.S., & Pitts, W.H. “ ” , 1959 ; Proceedings of the IRE, Vol. 47, No. 11, pp. 1940-51.
Marco A. Herrera Valdez, , Sandra D. Berger, Stefanie Ryglewski, Carsten Duch, Sharon Crook “ ” Journal of Computational Neuroscience August 2012,
Henry Markram “Keynote lecture at Neuroinformatics 2008 in Stockholm, Sweden” ( )
Christian Clemençon “ ”, EPFL, 2009
Nicolas Rougier “ “, interstices, 2013 (audio 13:22).
" ”, Kurzweil AI, 2012
Ed Yong, “ ”, Nature, 2012
Ed Yong “ " BBC Future, 8 février 2013
Ray Kurzweil (2012). How to Create a Mind: The Secret of Human Thought Revealed. Viking Adult. ( )

Neurologie du Temps

Sat, 27 Jun 2009 00:00:00 +0000

Dans son excellent blog “ ”, Sean Carroll aborde souvent la passionnante question de la nature du temps et m’a inspiré plusieurs . Son récent article “ ” est un peu moins cosmologique que d’habitude, mais tout aussi excitant.

Grâce à l’imagerie médicale, on sait aujourd’hui que les zones du cerveau activées lorsqu’on imagine une situation future sont les mêmes que celles utilisées lorsqu’on se rappelle une situation du passé.

L’idée selon laquelle notre capacité à faire un “voyage dans le temps” mental en nous projetant dans le futur reposerait sur notre mémoire du passé date de 1985, où D.H. Ingvar publia “Memory of the future” . En 2005, Tulving publia le résultat de nombreuses expériences astucieuses effectuées sur les animaux : seuls les humains sont capables de voyager dans le temps mentalement. De nombreuses autres études indiquent que les amnésiques ont plus de difficultés que la moyenne des gens à se projeter dans le futur, difficultés rencontrées aussi par les personnes atteintes de certaines maladies mentales comme la schizophrénie.

Toutes ces informations sont détaillées dans un article de Daniel L. Schacter et de son équipe à Harward , qui ont franchi une étape de plus en soutenant que notre cerveau est un “organe prospectif”, dont une des fonctions essentielles est justement de nous permettre d’envisager des situations futures, et que que notre mémoire du passé est un élément essentiel de cette fonction. En effet, à quoi bon se souvenir du passé si nous étions incapables d’utiliser ces informations pour prendre des décisions influant sur notre futur ?

Selon Schacter, il est de ce point de vue normal que notre mémoire ne fonctionne pas comme celle d’un ordinateur qui se remplit progressivement, mais en étant plutôt capable de relier entre eux des morceaux de souvenirs avec une extrême flexibilité. Si je suis en présence d’un objet brûlant, je me rappelle instantanément des nombreuses occasions où je me suis brûlé (y compris la fameuse fois où j’ai marché pieds nus sur un fer à souder…) et je suis capable d’interpoler et d’extrapoler à la fois pour agir de façon à ne pas me brûler cette fois-ci. De plus, les scénarios imaginés rejoignent les souvenirs, parfois même en s’y confondant, mais ceci nous permet d’améliorer encore notre comportement futur.

Ainsi, le cerveau nous donnerait un avantage adaptatif important en nous permettant de “simuler” les futurs possibles, et en les intégrant au même rang que nos souvenirs.

Références:

Ingvar, D. H. ,“Memory of the future : an essay on the temporal organization of conscious awareness”, 1985. Human neurobiology, 4(3), 127–36.
Tulving, E. (2005). Episodic Memory and Autonoesis: Uniquely Human? In H. S. Terrace & J. Metcalfe (Eds.), The missing link in cognition: Origins of self-reflective consciousness (pp. 3-56). New York, NY, US: Oxford University Press.
Daniel L. Schacter, Donna Rose Addis and Randy L. Buckner, “Remembering the past to imagine the future: the prospective brain”, Nature Reviews, Neuroscience volume 8, september 2007, 657 ( )