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Mardi, 3 juillet 2018
Deux exemples de « paysages d’attracteurs » en neurobiologie

Je reviens cette semaine sur le fascinant concept de « paysages d’attracteurs » (« attractor landscapes », en anglais) présenté la semaine dernière pour en donner deux exemples plus spécifiques à la neurobiologie.

Car l’exemple de l’animation de Nicky Case qui montrait comment représenter les fluctuations d’une population de poissons en termes de paysage d’attracteurs permettait également de comprendre certains phénomènes associés, comme l’effet de seuil d’un « tipping point ». Mais qu’en est-il de nos populations de cellules nerveuses et des signaux qu’elles s’échangent ? Leur développement ou leur comportement peut-il aussi être mieux compris à la lumière du concept de paysage d’attracteurs ?

La réponse, affirmative vous vous en doutez bien, est venue dès 1956 dans une publication du biologiste du développement anglais Conrad Waddington. Celui-ci, considéré comme l’un des pères de l’épigénégique, y démontrait la possibilité de rendre héritable certains traits physiques acquis par une population en réponse à un stimulus environnemental.

Cette conclusion étonnante pour l’époque s’appuyait entre autres sur la grande plasticité développementale constatée par Waddington. Autrement dit, une jeune cellule souche est influencée durant son développement par certains facteurs internes (des gènes) et externes (les molécules que cette cellule va croiser sur son chemin, par exemple) qui vont contribuer à infléchir son destin. Dans le cas d’une cellule souche du cerveau, c’est ce qui fera en sorte qu’elle deviendra tantôt une cellule gliale de type astrocyte ou oligodendrocyte, tantôt une cellule endothéliale ou bien sûr tantôt tel ou tel type de neurone (voir l’image en haut de ce billet).

Or Waddington avait déjà, à l’époque, représenté ces différentes destinées dans un paysage d’attracteurs ! Comme le montre l’image ci-dessous de la main de Waddington, des collines et des vallées définissent les trajectoires de différents développements possibles pour la cellule souche. À tout moment, on peut comprendre ce destin comme l’endroit où roulerait une bille si elle était lâchée dans ce relief à ce moment donné de son développement. Les points les plus bas des différentes vallées correspondent ainsi aux différents attracteurs possibles pour cette cellule souche.

Waddington utilisait le mot « canalised » pour décrire le phénomène, mais c’est exactement la même chose. Il ajoutait aussi qu’on pouvait influencer le cours du développement d’un organisme en manipulant certains facteurs environnementaux (température, signaux chimiques, etc.). Dans les termes d’aujourd’hui, et comme on l’a mentionné à la fin du billet de la semaine dernière, c’est comme si l’on modifiait alors directement le paysage d’attracteur (les monts et les vallées). Le destin d’une billes (ou d’une cellule) qui s’y trouve s’en trouve alors automatiquement modifié.

Pour une actualisation des idées de Waddington, vous pouvez consulter l’article de 2015 de Denis Noble intitulé “Conrad Waddington and the origin of epigenetics” où l’auteur complète un schéma de Waddington d’un « paysage développemental » en y ajoutant différentes lignes de force qui représentent les différentes influences environnementales en plus des influences génétiques.

* * *
Mon second exemple de paysage d’attracteurs est celui souvent utilisé pour représenter un engramme mnésique, autrement dit la trace neuronal d’un souvenir dans notre cerveau. Elle correspond en gros, comme nous le savons maintenant, à certaines assemblées de neurones sélectionnées, c’est-à-dire « habituées de travailler ensemble », si vous voulez…

Dans la jungle dense et immense de neurones que constitue notre cerveau, il y aurait donc certains réseaux sélectionnés par l’apprentissage où l’activité nerveuse aurait tendance à se produire plus souvent, à se maintenir plus longtemps, etc. On voit donc aisément ici l’analogie avec notre paysage d’attracteurs. Pour ceux et celles qui voudraient aller plus loin, cet article de 2013 donne un exemple de travaux où l’on tente de comprendre certains types d’activité cérébrale avec des notions reliées aux paysages d’attracteurs, dans ce cas-ci la transition entre deux attracteurs : « Increased Firing Irregularity as an Emergent Property of Neural-State Transition in Monkey Prefrontal Cortex ».

Comme le montre aussi la représentation imagée ci-dessous d’une assemblée de neurones codant pour l’image mentale de Luke Skywalker, l’idée de ce qu’on appelle en anglais « pattern completion » peut aussi être comprise à travers un paysage d’attracteurs. Certains neurones étant commun au réseau codant pour Luke Skywalker, le Yoda et Darth Vader (parce que mémorisés dans le même contexte du film Star Wars), penser à l’un nous fait souvent penser irrémédiablement à l’autre, sans doute par un phénomène « d’embrasement » de l’activité de l’assemblée neuronale voisine par l’entremise de leurs neurones communs. Ou, pour parler en termes de paysage d’attracteurs, de passage ou de « glissement » d’une vallée à une vallée voisine.

Et un peu aussi, pour reprendre l’une de mes métaphores préférée du cerveau et de son activité dynamique à différentes échelles de temps, comme quand une feuille d’arbre tombée dans un torrent reste prise dans un tourbillon derrière une roche, et puis tout d’un coup, profitant d’une fluctuation de l’eau un peu plus importante, s’en échappe pour se reprendre dans le tourbillon d’à côté…

Sur ce, je vous souhaite d’aller contempler de beaux torrents dans une forêt près de chez vous. Ce que je ferai la semaine prochaine, sans connexion Internet. On se retrouve donc dans deux semaines…

Du simple au complexe, Le développement de nos facultés | Pas de commentaires


Mardi, 19 juin 2018
Des « paysages d’attracteurs » pour mieux comprendre les systèmes dynamiques complexes

Une grève étudiante improbable se met en branle au Québec au début de l’année 2012. Comme d’habitude on s’attend à un retour en classe une semaine ou deux après. Mais ça durera des mois pour se transformer en un mouvement social qui viendra à bout du gouvernement Charest.

D’autres luttent depuis des décennies pour une représentation qui reflète mieux la volonté populaire au parlement en demandant un mode de scrutin avec une composante proportionnelle. Et rien ne change.

Voilà deux exemples actualisés de mon coin de pays, mais qui s’apparentent à d’innombrables cas où des systèmes dynamiques complexes semblent bloqués dans un état stable pour soudainement basculer vers un autre état. Un phénomène non seulement observable au niveau social, mais dans de nombreux autres systèmes complexes au niveau des écosystèmes écologiques, de la génétique, du développement cellulaire ou encore, bien entendu, des réseaux de neurones de notre cerveau !

Or il y a un outil très utile pour comprendre ce genre de phénomène qu’on appelle en anglais les « attractor landscapes » (que je traduirais, sans doute maladroitement, par « paysages d’attracteurs », mais je suis preneur s’il y a mieux…). Et pour comprendre cet outil à la fois conceptuel, mathématique et graphique initialement développé en physique, Nicky Case vient de publier cette très bien faite petite « interactive introduction to attractor landscapes ». (Lire la suite…)

Du simple au complexe | Pas de commentaires


Mardi, 12 juin 2018
Une école d’été sur la sensibilité et la cognition animale

« Without consciousness the mind-body problem would be much less interesting. With consciousness it seems hopeless.«   – Thomas Nagel

Quel effet ça fait d’être une chauve-souris ? C’est avec ce titre un peu déroutant que le philosophe Thomas Nagel avait voulu, dans son célèbre article de 1974 « What is it Like to Be a Bat? », montrer le caractère ineffable de la conscience subjective. Car on ne saura jamais « l’effet que ça fait » de s’orienter par écholocation comme la chauve-souris pour la simple et bonne raison que nous n’avons pas un corps et un système nerveux de chauve-souris capable de le faire ! La question du ressenti animal en général n’en demeure pas moins fort pertinente, ne serait-ce que parce qu’une espèce, la nôtre, est douée de langage et d’une méthode scientifique qui permet de faire des observations et des déductions sur les états mentaux de ses congénères humains ou non humains. Et comme cette même espèce (toujours la nôtre) domestique, exploite ou extermine des milliers d’autres espèces animales, savoir ce que ces dernières peuvent ressentir devient essentiel d’un point de vue éthique pour baliser nos actions envers elles.

C’est dans cet esprit que sera présentée du 26 juin au 6 juillet prochain la 7e école d’été de l’Institut des sciences cognitives de l’Université du Québec à Montréal (UQAM). Ayant pour titre « Le problème des autres esprits: sensibilité et cognition animale », elle réunira durant dix jours une soixantaine de psychologues comparatifs, d’éthologues, d’évolutionnistes et de neurobiologistes cognitifs qui tentent comprendre les pensées des autres espèces animales. (Lire la suite…)

De la pensée au langage, L'émergence de la conscience | Pas de commentaires


Mardi, 5 juin 2018
Andy Clark : une vision unifiée du cerveau-corps-environnement

Je voudrais attirer votre attention cette semaine sur l’article « The Mind-Expanding Ideas of Andy Clark » qui présente ce personnage unique dans les sciences cognitives contemporaines qu’est Andy Clark. Et surtout, comme le titre de l’article l’indique, ses idées qui, pour tenter une traduction française du titre de l’article, nous portent constamment à élargir notre champ de conscience.

Car de la cognition dite « étendue » développée avec David Chalmers à la fin des années 1990 au « cerveau prédictif » sur lequel il planche depuis plusieurs années maintenant et qui est le thème de son dernier livre « Surfing uncertainty », Clark a toujours justement surfé sur des nouvelles vagues qui ont déferlé et ébranlé les remparts des paradigmes dominants dans le vaste champ des sciences cognitives. (Lire la suite…)

De la pensée au langage | Pas de commentaires


Mardi, 29 mai 2018
Le sentiment nationaliste inversement proportionnel à la flexibilité cognitive ?

Plusieurs études ont montré par le passé comment certaines caractéristiques émotionnelles particulières pouvaient avoir des effets cognitifs à des niveaux plus élevés, jusqu’à orienter nos choix politiques. Être plus sensibles aux choses dégoûtantes est ainsi corrélé avec le fait d’avoir une posture plus conservatrice au niveau politique ou éthique. De même, être peureux de nature ou même se faire raconter ponctuellement des histoires d’horreurnous tire aussi vers le même pôle conservateur du spectre politique. Plus récemment, le phénomène inverse a même été démontré : induire un sentiment d’invincibilité avec une simple expérience de pensée nous décale cette fois-ci vers le pôle libéral (ou progressiste) du spectre politique.

Même si ces résultats sont de prime abord un peu surprenant, on peut comprendre intuitivement comment des émotions fortes comme le dégoût ou la peur peuvent avoir un effet très large sur notre psychisme. Mais qu’en est-il des processus plus neutre sur le plan émotionnel comme la catégorisation (ou l’analogie / catégorisation) et la flexibilité cognitive ? (Lire la suite…)

Que d'émotions! | Pas de commentaires