réseau de neurones

Un trio de jazz joue dans la pénombre d'un club. Le pianiste mène la mélodie, le contrebassiste tient le rythme, le batteur disperse ses roulements. Si l'on n'écoute que les paires de musiciens, on peut saisir comment le pianiste s'adapte à la basse ou la basse à la batterie.

Un stade bondé entend pour la première fois la voix du commentateur – et aussitôt, toute la foule s’anime. Le message retentit encore et encore. Seule une poignée de spectateurs, dans les rangs voisins, réagit. C’est à peu près ainsi que se comportent les réseaux de neurones dans les organoïdes cérébraux – ces mini-cerveaux cultivés en laboratoire.

Un neurone reçoit des milliers de signaux sur ses prolongements ramifiés — les dendrites. Certains signaux poussent la cellule à s'activer (excitation), d'autres la retiennent (inhibition). Pendant longtemps, on a pensé que le neurone se contentait d'additionner tous les « pour » et les « contre ».

Un artiste fait un croquis rapide au fusain – et le visage sur le portrait est déjà reconnaissable. Les astrophysiciens résolvent un problème similaire : le spectre d'une étoile est son portrait individuel, révélant température, composition, gravité.

Le cerveau d'un méditant, c'est un orchestre, et l'attention, son chef. Lorsque vous êtes concentré sur votre respiration, tous les instruments jouent en harmonie. Mais soudain, une pensée-violoncelle joue une fausse note : c'est la divagation de l'esprit.

Communiquer avec des neurones vivants rappelle le réglage d'une vieille radio : il faut non seulement capter la bonne fréquence, mais aussi orienter l'antenne.

La station de base émet des ondes radio. Sans embout spécial, l'antenne agit comme un tuyau d'arrosage ouvert à fond : l'eau part dans tous les sens, mais seule une petite partie atteint les plates-bandes. Des scientifiques ont créé un système avec deux réseaux de neurones.

Imaginez un vieux théâtre dans un brouillard humide. Sur scène, une poignée d'acteurs, mais un seul est saisi par le faisceau du projecteur, figé dans une tache lumineuse. Les autres tourbillonnent dans la pénombre, prêts à s'évanouir à tout moment.

Le neurone classique est un musicien de chambre qui ne tire qu'une seule note de chaque corde : il prend la somme pondérée des entrées, ajoute un biais et la fait passer par une non-linéarité.

Pourquoi certains systèmes — des réseaux de gènes au transport aérien — conservent-ils les empreintes du passé plus longtemps que d'autres ? Pendant longtemps, la science des réseaux a accusé la topologie : le nombre de connexions, la modularité, le spectre. Mais deux réseaux avec le même squelette peuvent se souvenir et oublier de manière radicalement différente.

Un orchestre joue sans chef, et vous entendez que le tempo tantôt s'accélère, tantôt ralentit. Vous n'avez en main que l'enregistrement du son, pas la partition. Peut-on, à partir de cet enregistrement, comprendre quelle corde toucher pour que tout l'orchestre joue plus régulièrement ?

Un caissier de supermarché à l'heure de pointe ne mémorise pas chaque article scanné — il garde en tête le total et surveille la file d'attente. C'est à peu près ainsi que le cerveau répartit ses forces : le cortex, coûteux et précis (ce qui est responsable de la réflexion), et les noyaux sous-corticaux, plus simples et économes (où vivent les habitudes), travaillent en binôme.

La caméra d'un smartphone filme tout, tandis que l'œil saisit immédiatement l'essentiel. La rétine ne se contente pas de transmettre l'image au cerveau : sur place, elle accentue les contours, atténue le bruit superflu et s'ajuste à la luminosité.

Dans une grande salle d'audience, une réunion est en cours. Des centaines de neurones-interprètes entendent simultanément des bribes de phrases — et doivent en assembler une image cohérente. C'est exactement ainsi que les grands réseaux du cerveau transforment des signaux disparates provenant des yeux en une image unifiée d'un objet.

Des ingénieurs construisent une voiture. Les uns assemblent une réplique exacte du moteur, chaque piston et chaque bougie, mais la voiture ne roule pas — pas de volant ni de roues. D'autres créent un kart rapide et autonome, mais son moteur en pâte à modeler ne ressemble pas à un vrai. C'est à peu près la situation dans la science du cerveau.

Un orchestre à la première répétition sans chef. Les violons attaquent à contretemps, les cuivres sont en retard, et au lieu d'une symphonie, c'est la cacophonie. C'est à peu près ce qui se passe dans un modèle informatique du cerveau lorsqu'on en retire des cellules particulières : les neurones de von Economo.

On peut palper un objet inconnu dans le sens de la longueur, en travers, en diagonale — à chaque fois, on obtient une nouvelle information. Mais que se passerait-il si une méthode de palpation ne nous apprenait absolument rien sur ce que révélerait une autre ?

Chaque atome de carbone dans une molécule porte un passeport : l'énergie avec laquelle ses électrons les plus profonds restent sur leurs orbites. Cette énergie réagit finement à l'environnement : qu'un oxygène ou une double liaison apparaisse à proximité, et le chiffre du passeport change.

Le cerveau jongle constamment avec les tâches : tantôt il réagit à un bruit soudain, tantôt il résout une équation, tantôt il se laisse aller à la rêverie. Les scientifiques soupçonnaient depuis longtemps que des bascules entre différents « scénarios » de fonctionnement des réseaux de neurones étaient à l'œuvre, mais il était difficile de les isoler du chaos des signaux électriques.

Les microscopes modernes voient le cerveau dans ses moindres détails : non seulement les synapses elles-mêmes — les points de contact entre les neurones — mais aussi les molécules qui les composent. Ces images sont de plus en plus nombreuses et leur coût diminue.

Les neurones du cerveau et les nœuds des réseaux de neurones artificiels ne manipulent pas seulement des « oui » et des « non » isolés, mais aussi des grandeurs qui varient de manière continue : où se trouve exactement un objet, quelle est sa taille.

Les communautés microbiennes ressemblent à un orchestre bruyant : des milliers d'instruments, et on ne sait pas qui joue la partie principale. Dans l'intestin, l'océan ou le sol vivent des millions d'espèces de bactéries, et les scientifiques doivent déterminer lesquelles sont vraiment importantes pour la santé humaine ou la fertilité des sols.

Le cerveau ressemble à une immense ville : les quartiers-régions communiquent entre eux par des rues-voies nerveuses. Si les feux de signalisation à un carrefour tombent en panne, le trafic s'arrête. Il en va de même dans le cerveau : lorsque les faisceaux de fibres nerveuses (la substance blanche) fonctionnent mal, les régions éloignées cessent d'agir de manière coordonnée, et la pensée patine.

Un télescope à rayons X en orbite a enregistré pendant des années la lueur des systèmes binaires où une étoile ordinaire tourne autour d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons. La matière de l'étoile compagne tombe sur l'objet compact, s'échauffe à des millions de degrés et émet des rayons X.

En emménageant dans un nouvel appartement, on ne réapprend pas à ouvrir les portes ni à allumer la lumière. L'expérience de l'ancienne maison se transfère d'elle-même : la cuisine, c'est l'endroit avec la cuisinière et l'évier ; la chambre, celui avec le lit. Le cerveau ne stocke pas une carte exacte, mais un schéma flexible qu'il superpose à un espace inconnu.

Le son ne sert pas seulement à entendre, il peut aussi pousser. Un vortex ultrasonique est une onde sonore enroulée comme un entonnoir dans un coquillage : au centre, le silence, et sur les bords, une pression rotative. Cet entonnoir peut capturer de petites particules et les transporter sans y toucher.

Trois branches de la physique — la cosmologie, la physique des particules et la physique nucléaire — ont longtemps fonctionné comme des rives isolées.

En 1935, Erwin Schrödinger, en scrutant les équations de la mécanique quantique, y vit quelque chose d'étrange : deux particules peuvent être liées si étroitement que l'état de l'une détermine instantanément l'état de l'autre, même si on les sépare de kilomètres.

En 2008, un groupe de physiciens a passé des mois de temps de supercalculateur pour calculer une seule grandeur dans la théorie de la gravité quantique.

Un interprète lors de négociations ne capte pas seulement les mots, mais aussi le ton avec lequel ils sont prononcés. S'il se concentre uniquement sur le vocabulaire, il manquera le sarcasme ou la fatigue dans la voix. S'il ne s'attache qu'à l'intonation, il trahira les détails du contrat.