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Mardi, 27 février 2018
Les traces neuronales de nos souvenirs conceptuels

Quelle est la trace matérielle de nos souvenirs dans notre cerveau ? Voilà une question qui a fait couler beaucoup d’encre. La réponse dépend du niveau d’organisation que l’on considère. Par exemple, nos connexions nerveuses (ou synapses) sont extrêmement plastiques et dynamiques, il n’y a plus de doute là-dessus. Les travaux de Cirelli et Tononi sur le sommeil ont par exemple montré que durant la journée, nos diverses interactions avec le monde font augmenter non seulement le nombre de récepteurs au glutamate dans les synapses excitatrices du cortex, mais que la surface même du bout de l’axone et de l’épine dendritique qui se font face (mais sans se toucher) augmenterait d’environ 20%. Et l’inverse se produirait durant la nuit, c’est-à-dire une diminution d’environ 20% de la surface synaptique chez pratiquement toutes nos synapses (sauf peut-être celles des souvenirs marquants de la journée qui, elles, ne diminueraient pas, mais ce n’est pas le sujet d’aujourd’hui… plutôt celui d’un épisode récent de Sur les épaules de Darwin).

Car ce dont je voudrais vous parler dans ce billet, c’est de deux théories un peu rivales qui coexistent depuis plusieurs années en ce qui concerne la trace mnésique à un niveau plus élevé que celui de la synapse, celui de l’assemblée de neurones, pour reprendre l’expression consacrée de Donald Hebb. En gros, l’une voudrait que nos souvenirs soient distribués dans de vastes populations de neurones qui se compteraient par millions (je rappelle que notre cortex compte environ 16 milliards de neurones). Et l’autre que nos souvenirs seraient plutôt engrammés dans des populations beaucoup plus petites et clairsemées, en particulier au niveau de l’hippocampe, cette vieille partie du cortex très impliquée dans la mémoire.

C’est cette conception clairsemée (« sparse », en anglais), où quelques milliers de neurones ou moins seraient activés par un souvenir donné, qui semble avoir la cote depuis un certain temps. Du moins si j’en crois deux lectures récentes qui toutes deux en vantent les mérites. La première est tirée du numéro de juin dernier de la revue Spectrum consacrée aux modélisations du cerveau et à l’intelligence artificielle. Dans un article intitulé « What Intelligent Machines Need to Learn From the Neocortex », Jeff Hawkins identifie 3 aspects de la physiologie cérébrale que l’intelligence artificielle gagnerait à intégrer : le recâblage constant des circuits (où l’on apprend que jusqu’à 40% des synapses d’un neurone sont remplacées par de nouvelles chaque jour !), le fait que le cerveau et le corps forment un tout (« embodiment », en anglais), et les représentations neuronales clairsemées qui vont nous intéresser ici.

Hawkins rappelle que celles-ci ont au moins deux propriétés fort intéressantes pour la mémoire. La première est que le nombre relativement peu élevé de neurones qui correspond à un concept permet qu’il y ait des superpositions (« overlap ») spécifiques entre diverses assemblées de neurones. Des concepts évoquant des réalités similaires (Luke Skywalker et le Yoda, dans l’exemple de la figure ci-haut) pourront ainsi avoir des assemblées de neurones qui ont certains neurones communs. Ces derniers expliqueraient pourquoi quand on pense à un concept (Luke, par exemple), on a tendance à avoir en tête également des concepts proches (le Yoda, ici). Enfin, Hawkins note que ces représentations clairsemées, contrairement à celles des modèles distribués avec des millions de neurones, permettent de garder distincts des concepts similaires sans qu’ils n’interfèrent les uns avec les autres dans les nombreuses situations floues ou incertaines que nous devont évaluer chaque jour.

L’autre corpus de données qui appuie la conception clairsemée des réseaux de neurones sélectionnés par un souvenir vient des travaux de scientifiques comme Rodrigo Quian Quiroga qui était l’invité de Ginger Campbell à l’un de ses récents Brain Science Podcast. Celui-ci est l’auteur du livre « The Forgetting Machine: Memory, Perception, and the « Jennifer Aniston Neuron.  » qui relate les découvertes de son équipe sur ce qu’on appelle aujourd’hui les « neurones conceptuels” (« concept cells »). Grâce à des patients qui avaient des microélectrodes directement sur l’hippocampe pour en monitorer l’activité avant une ablation de foyer épileptique, on a pu mettre en évidence des neurones qui s’activaient de façon extrêmement spécifique, à la vue d’une photo de la comédienne américaine Jennifer Aniston, par exemple. Et encore plus intéressant, ces neurones s’activaient autant à la vue de photos sous différents angles de la comédienne que lorsque le sujet voyait son nom écrit ou entendait sa voix ! Bref, un neurone qui semblait être impliqué non pas dans les détails des différents stimuli se rapportant à l’actrice, mais bien au concept de cette actrice.

Plusieurs éléments fascinants de ces expériences sont aussi rapportés dans un article de 2013 de Scientific American intitulé « Brain Cells for Grandmother », allusion à une forme ancienne et un peu caricaturale de cette idée qu’on aurait un neurone qui réagirait qu’à notre grand-mère et à elle uniquement. En fait, ce qui était souvent présenté comme une boutade ne semble finalement pas si éloigné de la réalité si l’on apporte certaines nuances. D’abord que l’on n’aurait évidemment pas qu’un seul neurone qui correspond à l’idée de notre grand-mère, mais une (petite) population. Que ces neurones, comme l’a montré Quian Quiroga, peuvent aussi répondre à des concepts très similaires (une seule autre actrice de la série Friends par exemple, mais pas l’ensemble du casting de cette série). Que ces neurones ne se retrouvent pas dans les régions visuelles temporales du cortex (on pense par exemple à l’aire fusiforme dont les neurones s’activent fortement quand on voit des visages, mais n’importe quel visage), mais bien dans l’hippocampe. Et que de telles assemblées de neurones clairsemées peuvent être créées très rapidement, un neurone s’étant par exemple mis à répondre fortement au Dr. Quian Quiroga deux jours après que le sujet l’ait rencontré pour la première fois, ce qui correspond bien à notre capacité à retenir rapidement quelque chose de nouveau.

Pour toutes ces raisons, et bien d’autres qui sont discutées depuis la découverte des neurones conceptuels en 2005, ces assemblées de neurones clairsemées semblent être une façon fort économe, rapide et souple pour encoder ce qui au fond nous sert le plus : le sens que les êtres et les choses que nous rencontrons ont pour nous. Pour ce qui est des détails de leurs propriétés, on pourra toujours ensuite chercher dans les milliards d’autres neurones de notre cortex où plusieurs sont sans doute encodées. Mais l’essentiel, les concepts qui assurent la grande fluidité de notre pensée abstraite, ne s’encombrent pas des détails et s’associent spontanément selon leur proximité sémantique… et neuronale, pourrait-on presque dire !

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