Neurones et cognition q-bio.NC

La mécanique quantique nous a offert une image envoûtante : l'état d'un système n'est pas un point figé, mais une onde de possibilités qui danse dans un espace abstrait. Grâce aux travaux de Schrödinger et de Dirac, nous la représentons par des vecteurs dans un espace de Hilbert.

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.

Avant une conversation importante, on tend la main vers son téléphone, mais on ne compose pas le numéro. À l'intérieur, plusieurs formulations existent déjà, mais aucune n'est choisie. Cet état — où des options existent sans qu'aucune ne l'emporte — est ce que les auteurs appellent des « variables vagabondes ».

Dans la salle d'opération, le silence. Le chirurgien enfonce lentement dans le cerveau du patient une aiguille plus fine qu'un cheveu humain. À son extrémité, pas une pointe, mais toute une palissade de neuf cent soixante microphones microscopiques. Chacun écoute sa minuscule parcelle de matière grise.

Le cortex cérébral ressemble à une feuille de papier froissée : il a une épaisseur, des courbures et une profondeur de plis. Avec l'âge, cette feuille se modifie de manière inégale – par endroits elle s'amincit, par endroits elle perd la netteté de ses courbures. Autrefois, les médecins évaluaient l'âge du cerveau dans son ensemble, comme s'ils regardaient la feuille de loin.

Une zone du cerveau de la taille d'un petit pois fige le rat à mi-pas. Le faisceau laser atteint les cellules photosensibles, et l'animal s'arrête net, comme s'il avait heurté un mur invisible. C'est le noyau pédonculopontin rostral, un amas de neurones dans le tronc cérébral qui contrôle le mouvement.

Un détective cherche un criminel dans ses fichiers, mais les portraits y sont mélangés. Il s'attend à un homme à la barbe grise, alors que le criminel est jeune et imberbe. De même, les médecins ne reconnaissent souvent pas la maladie d'Alzheimer chez ceux qui présentent des symptômes inhabituels : non pas une perte de mémoire, mais des troubles de la vision ou du langage.

On essaie de ne pas penser à la dispute de ce matin, mais des images vives s'imposent à l'esprit. En parallèle, on prépare un rapport et on garde des chiffres en tête. Résultat : la mémoire perturbe le travail, et le travail empêche d'oublier. Des scientifiques ont voulu vérifier comment le cerveau gère cette double charge chez des personnes plus ou moins anxieuses.

Le cerveau accumule les impressions de la journée comme une pièce accumule les objets. La nuit, pendant le sommeil profond, il ne se repose pas seulement, il fait le ménage : il trie les événements de la journée et décide quoi garder et quoi jeter.

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.

Un bureau où les employés échangent des notes. Tant qu'il y a peu de tâches, chacun travaille de son côté. Mais quand une commande urgente arrive, certains services se mettent à envoyer activement des messages à d'autres, et le travail d'ensemble devient plus coordonné. C'est à peu près ce que fait le cerveau lorsque nous essayons de garder plusieurs choses en tête à la fois.

La nuit, le cerveau ne s'éteint pas. Au lieu de cela, il trie les événements de la journée, comme un bibliothécaire range les livres sur les étagères. Mais d'où viennent ces images étranges, parfois dénuées de sens, que l'on voit en rêve ? Beaucoup pensaient qu'il s'agissait simplement de bruit aléatoire, sans importance.

La larve du poisson zèbre est presque transparente, et son cerveau peut être observé au microscope. Mais même chez une si petite créature, les connexions neuronales sont si enchevêtrées qu'il est presque impossible de les démêler à la main. Les scientifiques ont fait un coup de maître : ils ont créé une copie informatique exacte de cette larve, où chaque connexion est connue.

Dans le cerveau de chacun d'entre nous existe un réseau invisible qui maintient les neurones en place et leur dicte les règles de la communication. Ce réseau, c'est la matrice extracellulaire, l'environnement protéique des cellules. Dans la jeunesse, elle est souple comme un élastique neuf et permet aux connexions entre neurones de se réorganiser facilement lorsque nous apprenons du nouveau.

Un modèle de langage est une construction multicouche où chaque couche traite les mots à sa manière. Au début de l'apprentissage, les couches sont chaotiques, mais elles s'organisent progressivement en deux équipes. La première équipe fonctionne simplement : sa géométrie interne s'aplatit, devient moins enchevêtrée. La seconde reste complexe et sinueuse.

Lorsque la main trace une ligne, le regard court presque toujours devant — comme un éclaireur qui jette un œil derrière le virage avant que la colonne ne le prenne. Mais à quelle distance devant ? Il s'avère que cette distance est propre à chaque personne et ne change pas d'un essai à l'autre.

Dans l'orchestre d'un cerveau qui vieillit, les instruments se désaccordent l'un après l'autre. Les vaisseaux qui apportent l'oxygène s'amincissent. L'isolation des fibres nerveuses, telle la gaine de vieux fils électriques, perd de sa densité. L'atelier où naissent les nouveaux neurones, situé dans l'hippocampe, ralentit sa chaîne de production.

Le cerveau de chaque personne est couvert de circonvolutions, comme une empreinte digitale — avec un motif unique. Lors de la démence, ce motif change, mais pour deux maladies similaires, Alzheimer et la démence à corps de Lewy, les modifications sont presque impossibles à distinguer à l'œil nu. Les médecins ont besoin d'un moyen fiable de les séparer, car les traitements diffèrent.

Un rat court sur une piste — non pas parce qu'un moteur l'y oblige, mais parce qu'il en a envie. Sur son crâne, une grille de 32 minuscules capteurs, comme un bonnet de bain, mais avec des fils. Les capteurs captent les faibles ondes électriques émises par le cerveau.

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.

On essaie parfois de voir la dépression dans les ondes électriques du cerveau. La logique est simple : si la maladie a des stades — aigu, de maintien, de guérison — alors les signaux devraient changer progressivement, comme le volume quand on tourne un bouton. Des scientifiques ont pris des enregistrements EEG de 74 personnes : 24 en phase aiguë, 23 en phase de maintien, 27 en bonne santé.

Le cerveau d'une souris compte environ 70 millions de neurones, et les connexions entre eux sont loin d'être réparties également : certaines cellules n'ont que quelques dizaines de contacts, d'autres en ont des milliers. C'est comme une ville avec des ruelles tranquilles et des places bondées.

Un couteau de cuisine et un économe, pris séparément, accomplissent des tâches différentes, mais lorsqu'un cuisinier apprend une nouvelle recette, il saisit souvent le même couteau pour tout. Il semble que le cerveau fasse de même lorsqu'il acquiert une nouvelle compétence de discrimination visuelle.

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.

Le cerveau au repos ne se tait pas : ses régions dialoguent, et ces conversations peuvent être écoutées grâce à l'IRM. Habituellement, les scientifiques suivent la force du signal — à quel point chaque zone « résonne » fort. Mais une conversation a aussi un rythme : certaines régions s'illuminent en même temps, d'autres avec un décalage.

Un modèle d'apprentissage automatique classique examine un objet à la fois : un cerveau, un patient, un moteur. Mais les biologistes cherchent le général : comment le cerveau d'une espèce est organisé, et pas seulement celui d'un poisson particulier.

Un neurone dans le cerveau ressemble à une personne qui distribue ses cartes de visite lors d'une conférence très fréquentée. Au début, il fait facilement des connaissances, mais à mesure que son carnet d'adresses se remplit, chaque nouveau contact exige de plus en plus d'efforts — il reste peu de place libre.

Pour distinguer une étoile faible au-dessus d'une ville nocturne brillante, les astronomes soustraient une image d'une autre – ils éliminent la lueur des lampadaires. Ils font de même avec les neurones vivants : leurs faibles flashs se noient dans le bruit, mais si l'on soustrait tout ce qui est immuable, il ne reste qu'eux.

Les yeux suivent un point qui trace doucement une courbe complexe sur l'écran. Chez la plupart des gens, le regard reste proche de ce point, mais chez certains, il semble glisser ou accuser un retard. Autrefois, ces particularités se noyaient dans les moyennes : si l'on additionne tout le monde et que l'on divise, la différence disparaît presque.

Deux complices interrogés : trahir ou se taire ? Si chacun ignore ce que fera l'autre, leur choix fait dérailler la règle classique des probabilités. C'est comme rouler sur un vieux vélo sur une route cahoteuse : une selle dure vous éjecte. La règle des manuels, le modèle standard, défaille.

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.

La nuit, dans une pièce sombre, le corps humain émet une lueur à peine perceptible. Cette lumière est si faible que seuls des instruments très sensibles peuvent la capter. Certains scientifiques ont pensé qu'une telle lueur émanant de la tête pourrait révéler le fonctionnement du cerveau — sans tomographes ni fils. Mais la vérification a montré autre chose.

Le cerveau d'une personne atteinte de la maladie de Parkinson fonctionne comme un orchestre dont le chef tantôt se fige, tantôt agite sa baguette à contretemps. Les médicaments n'aident pas tout le monde, et les médecins proposent alors la stimulation — de faibles impulsions électriques qui rétablissent le rythme.

La parole ressemble à un orchestre où chaque note doit retentir au bon moment. Le cerveau transforme une pensée en une chaîne de sons en une fraction de seconde, et on ignorait jusqu'ici comment il gère cette hiérarchie — des sons individuels aux syllabes et aux mots entiers.

Deux coureurs sur la même piste. L'un part du milieu de la distance, l'autre de zéro. Qui est le plus rapide ? La réponse est évidente, mais en neurosciences, ce genre de subterfuge est longtemps passé inaperçu.

Un réseau de neurones qui apprend du nouveau ressemble à un voyageur en terrain montagneux. Chaque connaissance acquise est une dépression dans le relief, où le voyageur roule et se coince. Pour en sortir et atteindre un nouveau creux, il faut de l'énergie.

Garder en tête un numéro de téléphone pendant qu'on le compose, c'est la mémoire de travail. Dans le cerveau, un groupe de cellules en est responsable, qui s'envoient des signaux comme des personnes se passant un seau le long d'une chaîne. Mais chaque transmission a un coût : il faut des substances médiatrices, et elles s'épuisent.

Un neurone qui vient de se calmer ressemble à un pianiste qui retire ses mains du clavier. Mais à l'intérieur, un travail silencieux se poursuit : de minuscules pompes expulsent les ions chlorure vers l'extérieur, remettant l'instrument en état de marche.

La main repose sur la table, et deux courtes vibrations arrivent au poignet, l'une après l'autre. Il faut dire laquelle est la plus forte. La tâche semble simple, mais la réponse dépend de la vibration qui vient en premier. Si la première est faible et la seconde forte, la différence paraît plus grande que lorsqu'on les inverse.

Le cerveau est organisé comme un immeuble à plusieurs étages : les étages inférieurs traitent les signaux simples, tandis que les étages supérieurs les assemblent en images complexes. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que cet ordre est lié à la manière dont les neurones travaillent ensemble. Mais comment exactement restait un mystère.