Niveaux d’étude du cerveau, et sagesse physique Gérard Toulouse

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Submitted on 1 Jan 1993

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Gérard Toulouse

To cite this version:

Gérard Toulouse. Niveaux d’étude du cerveau, et sagesse physique. Journal de Physique I, EDP

Sciences, 1993, 3 (2), pp.229-238. �10.1051/jp1:1993126�. �jpa-00246716�

J.

Phys.

I France 3

(1993)

229-238 FEBRUARY1993, PAGE 229

Classification

Physics

Abstracts

01.70-64.90-87.30

Niveaux d'4tude du cerveau, et sagesse physique

G6rard _Toulouse

Laboratoire _de

Physique

de

I'ENS,

24 _rue

Lhomond,

75231

Paris,

France

(Received

13

May

1992, accepted 3

July1992)

R4sumd. Le _{cerveau est}

une aflaire

spatio-temporelle complexe.

Plusieurs thdories du

cerveau proposent ^de ddfinir trois niveaux d'dtudes

superposds.

Mars la

physique,

h travers

l'exp4rience

de la

physique

de la matibre condens4e,

suggbre qu'il

n'est _pas sage

d'imposer

sur

les thdories du _cerveau

un sch4ma

h14rarchique unifi4,

dont

l'inspiration

semble provenir du domaine de la

physique

sub-mo14culaire.

Abstract The brain is _a

complex spatio-temporal

affair. Several brain theories propose the definition _{of three} superposed levels of

study.

But

physics, though

the experience of condensed

matter

physics,

_suggests that it is unwise to enforce onto brain theories _a unified hierarchical

scheme,

the

inspiration

for which _seems to _come from the realm of sub-molecular

physics.

Je pense n'Atre _pas infidAle I Rammal _{avec ce}

texte, pourtant

si diffirent _par le

style

de _ses propres

publications.

Nonobstant _sa

prifirence personnelle

_pour (es thdories et faits

durs,

il arrivait I Rammal

d'expriiner

_en

privi

_une vive curiositd _pour d'autres

investigations.

Et it trouvait bon _{que ses} ainis

physiciens

^ddfrichent des terres lointaines _pour

en faciliter l'accAs I leurs cadets.

Au milieu des annies

quatre-vingts, aprAs

notre article de _{revue sur} l'ultrarndtricitd

[I],

nos chemins _ont

divergd.

En _ces

temps-li, quelques

ddtachements de

physiciens

_se sont orientds _vers l'dtude des r6seaux de _neurones. Ce

faisant,

certains d'entre _nous,

physiciens

venus de la

physique

de la matiAre condensde _et de la

physique statistique,

ant 6t4 amends I

confronter des auditoires inhabituels de

biologistes, psychologues, linguistes,

etc. Les abimes

d'incompr6hension,

_{sur ce} dent _on

parfait,

et _sun la nature des

explications recherch6es,

n'ont

pas dtd _rates lots de telles rencontres.

Peu I _peu,

j'en

suis _venu I

coinprendre

_que

beaucoup

de

non-physiciens transportent

un

moule de

pens4e

_{sun ce que} doit Atre la _structure des niveaux d'dtude

scientifique,

et que ce

inoule _{est en provenance} de la

physique

_ou

plut6t

d'une

conception (trap) simplifi4e

de la

physique,

_{vue comme une}

superposition

de niveaux bier

rangis (stratifi4s verticalement,

_pour

ainsi

dire)

I la

fagon

de niveau

nucldaire,

niveau

atomique,

niveau

moldculaire,

et ainsi de suite.

S'il _{y a} bien 16 _cause

persistante

de

mdprises

et de

confusions,

alors c'est

peut-Atre

^{le devoir} d'un

physicien d'expliquer

_que la

physique

de la matiAre condensde _nous met

ddji

_en

prdsence

d'une structure autrement

plus complexe,

formde de niveaux d'dtude

"repl14s", parfois

mAme enchevAtrds. Et

qu'il

est dAs tars

permis

de douter _que la th60rie du _cerveau humain

puisse

Atre

jamais bien-addquatenient

_{congue comme} formde de trois niveaux

d'dtude, qui

^seraient comme

les trois derniers barreaux I

griinper

_pour

parvenir

_en haut de l'dchelle du savoir.

Cet

exposd,

_{un peu sun} ton de

confidence,

est _en

frangais.

Son ambition est modeste _au demeurant

je

_ne

puis garantir

_{que ces propos} aient

dgale pertinence

dans d'autres cultures.

Le terme de

"sagesse physique",

dans le

titre,

_{a pu}

paraitre naturel,

voire

anodin,

_au lecteur

physicien,

mais il est bon de savoir

qu'il

_{aura un} caractAre nettement

provocateur

_pour ^des chercheurs

appartenant

^{I certaines} autres

disciplines.

En fait [es

biologistes,

_par

exemple,

ant de bans motifs

historiques

de mettre _en avant des _cm

flagrants

de _manque de sagesse chez les

physiciens.

Au 19e

siicle,

_ce

~u'on appelle

"l'illusion

laplacienne"

_a conduit

beaucup

de

physiciens

I _iuener la vie dune

aux

biologistes,

et _en

particulier

I

Darwin,

_en

professant

_que

le modAle de toute science bier constitute itait la

micanique classique (avec

_ses

iquations,

sa

capacitd

de

prddiction quantitative, etc.).

Au 20e

siAcle,

l'enthousiasme _pour certains

concepts

nouveaux de la

iudcanique quantique (coiuplinientariti, cohirence, incertitude,

etc.

a entraini noinbre de

physiciens

thioriciens _vets des

extrapolations

indues I la thiorie du

cerveau

(retainment

I _propos du

phinoinAne

de la

conscience).

ExcAs de didain

d'abord,

excAs d'ardeur ensuite.

La sagesse dent

je parle

est donc celle

qui

vient

aprAs l'expdrience

des _erreurs

passies,

celle

qui

^vient _avec

l'hge

_{pour une} science ancienne.

1. Bi~ef

rappel historique

_stir les sciences de la

cognition.

Au tournant du siAcle

pricident, beaucoup

de

grands esprits pensaient

_que la

physique

et

autres sciences de la nature avaient

accompli

le meilleur de leur

thche,

et que la

grande

science du XXe siicle serait la science de

l'esprit,

la

psychologie.

Cependant, malgrAs quelques

succis d'ordre

parfois

littiraire

(sun

la mimoire

notamment),

les

investigations

_par

introspection

ichoueront I fonder _une

science,

et susciteront _en traction le behaviorisnie. Pour [es

I>ehavioristes,

le _{cerveau est une} boite

moire,

_avec des entries

(stimuli

~ensoriels)

et (le; sortie;

jcoiiiporteiuents inoteurs),

considiries _coiunie seules "observables".

A l'icart des

introsPectionistes

_et des

behavioristes,

_se difiiiira la

psychologie

de la

Gestalt,

dent (es intuitions out ALA

profondes.

La Gestalt insiste notainnient sun la diffirence entre stimulus et

percept.

et voit celui-ci _comme l'aboutissenient d'un _processus

dynamique

interne diclenchd _par celui-11

(c'est

_une

prAfiguration

de la notion nioderne de "calcul _par

attracteur")

12].

Darts les armies

cinquante,

l'dcole

cognitiviste prendra

acte des ichecs du behaviorisme

inipossible

d'aller loin darts

l'explication

des

comporteinents

si l'on

ignore

des micanisines

internes lets _cjue

repriseiitation, disir,

_croyance,

rive,

etc. De

plus,

l'avAnement des

premiers ordinateurs,

la thiorie de la calculabilitd

(lfuring),

la thdorie de l'inforiuation

(Shannon),

la

cyheriidti~ue (iviener), suggArent

la

possibiliti

d'une thiorie

coiuputationnelle

de

l'esprit.

Le

cerveau,

auparavant

brine-moire des

behavioristes,

est disoriuais _{reconnu comme}

objet,

dent

l'analy.se

e~t I la fois iiicessaire et

possible.

Pendant _cc romps, ^deux textes _venus d'horizons divers ant

niarqui l'origine

de la thiorie des riseaux de _{neurones en}

1943,

_un article

co-ridigd

_{par un}

biologiste

et _un

logicien,

Mcculloch

et Pitts [3] en

1949,

le livre d'un

psy.chologue,

Hebb [4].

Au _cours des ddceniiies

suivaiites,

_on voit

apparaitre

au sein du

cognitivisiue

deux tendances

N°2 NIVEAUX D'ETUDE DU

CERVEAU,

ET SAGESSE

PHYSIQUE

231

qui

s'opposent

connexionisme et fonctionalisme. Grosso

mode, qui

dit connexionisme dit tentative de

comprendre

le _{cerveau en}

s'appuyant

_sun les thiories de riseaux de _neurones

(assemblies

d'unitds-cellules relides _par des

connexions-synapses) qui

dit fonctionalisme dit insistance

sun

l'analogie

entre _cerveau et ordinateur

(sdriel, digital),

_{avec une coupure} sAche entre niveau

logiciel (software, symbolique)

et niveau matiriel

(hardware, sub-symbolique).

Le mouvement des

iddes,

_{au cours} des trois derniAres

ddcennies,

_peut Atre alors trAs

schimatiquement

retract _comme suit

annies 60 _vogue des

perceptrons (Rosenblatt), qui

sent des riseaux de _{neurones en}

couches,

_sans ritroaction les

espoirs

soulevis _par cette

approche

s'effondrent _sous la

critique

du livre de

Minsky-Papert

_[5]

annies 70 passage par les catacombes _pour la thiorie des riseaux de

neurones

triomphe

du

fonctionalisme, appeli

disormais

"cognitivisme classique"

formulation _par Marr [6] de son schdma des trois niveaux de

comprihension

du _{cerveau :}

computation, algorithme,

implimentation (de

haut _en

bas)

annies 80

regain

d'intdrAt _pour la thdorie des rdseaux de _neurones

(on parle parfois

de ndo-connexionisme _pour

distinguer

_ces

approches

nouvelles de celles des anndes

60)

sous

deux influences

inddpendantes

les travaux du groupe PDP

(parallel

distributed

processing)

qui

montrent comment les

objections

de

Minsky-Papert peuvent

Atre contoumdes _par la

considiration de riseaux multicouches

[7],

et l'itude _par

Hopfield

_[8] de rdseaux _en

boucles,

suscitant la mise _{en ceuvre}

originale

de mdthodes issues de la

physique statistique

des

systAme

ddsordonn4s.

Il convient de

se mdfier des _riots

en -isme. Mais derriAre _ces vocables trop

chargis,

ii _{y a} bien _en effet ici _une controverse, ou du moins _une

"tension",

intdressante.

a)

Le connexioniste

invoque

les thiorAmes

d'incomplitude

et

d'incalculabiliti,

les ichecs de

l'intelligence

artificielle

traditionnelle,

_pour

critiquer

la

mitaphore

du _{cerveau comme}

ordinateur

siriel,

et du fonctionnement de

l'esprit

comme

manipulation

de

symboles physiques.

Ses

fonctions,

le

systAme

_nerveux doit [es

accomplir

_avec des contraintes

biologiques

sivAres

(composants

_aux

capacitis limities,

contraintes

stiriques,

etc.

ignorer

_ces

contraintes,

c'est

se

privet

d'une cli essentielle _pour

comprendre l'organisation

du _cerveau, et _ses

performances.

b)

Le fonctionaliste affiriue _que les modAles de rdseaux de _neurones sent condamnds I rester irrdvocablement confinis _au niveau

sub-symbolique (niveau d'impldmentation),

nettement en-dessous des niveaux

proprement dignes

de

l'dpithAte "cognitif", qui

sent les niveaux

symboliques (computationnel

et

algorithmique,

selon

Marr). Rdcemment,

la

critique

s'est faite

plus incisive,

_en

prddisant,

_que la thdorie des rdseaux de _{neurones ne pourra pas}

expliquer

les

problAmes

de

compositionaliti,

I savoir l'articulation de

symboles plus petits

_en

symboles plus grands,

telle

qu'elle

s'observe dans le

langage (syllabes,

mats,

phrases, etc.) [9].

Comme _on

voit,

la difinition de niveaux d'itude est _au centre de _ce

d4bat,

_car elle

prifigure

la forme des

explications

attendues. Une

phrase

enfin _pour situer _ces thAmes de recherche anciens dans le cadre actuel des sciences de la

cognition

les sciences de la

cognition

visent I l'itude de

l'intelligence,

naturelle et

artificielle,

I savoir

a)

la

comprdhension

du fonctionnement

des _cerveaux, animal et

humain, b)

la

conception

de _nouveaux

dispositifs computationnels,

capables

d'aider _ou d'dmuler [es

capacitds

mentales des Atres vivants.

2. Neurones et rdseaux.

Le

lecteur, je

_{suppose, a}

dAji quelques

notions _sun les _neurones. Il existe de bonnes introductions I la thdorie des rdseaux de _{neurones, ou}

computation

neurale

[10].

^Dans sa version la

plus riduite,

le _neurone formel est _un iliiuent binaire

(actif

_ou

inactif)

dont la

dynamique

est celle d'un automate I seuil

probabiliste

sommation

algibrique

des entries

(influx

causds

par les _neurones

affdrents) ponddrdes

_par les eflicacitds

synaptiques, comparaison

I _un

seuil,

probabilitd

^de ddclenchement du

potentiel

d'action _en forme de

sigmoide [11, 12].

On

notera,

dans cette

description

sommaire du _neurone, la

prisence dijh

manifeste

d'aspects antinomiques

aspects liniaire

(dans

la sommation des

entries)

et non-liniaire

(dans

la fonction de

sortie),

aspects digital,

Boolien

(dans

le caractAre _{tout ou} rien du

potentiel d'action)

et

analogue

continu

(si

l'on raisonne _{en terme} de

friquence

_moyenne de

dicharge),

aspects stochastique (pour

le diclenchement d'une

dicharge individuelle)

et ddterministe

(pour

la

friquence

_moyenne de

dicharge).,

aspects

feedforward

(la propagation

des

ddcharges

dans l'axone est

unidirectionnelle)

et

feedback,

rdtroaction

(ii

est d'observation _courante

qu'i

_un faisceau de fibres _{nerveuses entre} deux aires

corresponde

_un faisceau

rdciproque,

_{en sens}

inverse).

Une contribution

importante

des

physiciens

_a dtd de

ddgager

la notion de

calcul-par-

attracteur, ^{dons les rdseaux} bouclds

(dotds

de

rdtroaction).

Le mode de fonctionnement de

ces rdseaux

peut

Atre ddcrit _comme suit _{on suppose que} les entries fixent l'dtat d'activitd initial du

rdseau, qui

dvolue ensuite librement _sous l'effet de _sa

dynamique

_propre et converge

vers un attracteur

(en

toute

gdndralitd,

_ce

peut

Atre _un dtat

persistant,

ou bien

oscillant,

_ou

plus complexe encore).

Cet attracteur contient le rdsultat du

calcul,

du traitement de

l'information,

effectud _par le rdseau. Il est I la fois

ldgitime

et dclairant de vain dans la notion d'attracteur

une

reprise,

_{sous une} forme

plus pricise,

du

concept

^{de Gestalt}

[2],

et aussi des iddes d'dtats

"riverbdrants",

et d"'assembldes de

cellules",

anciennes dans la littdrature

neuropsychologique

141.

L'hypothAse parait

maintenant naturelle

(elle s'impose

_{presque, sur} le mode du _: what else could it be

?) qu'un

_processus de

remdmoration,

rdactivation d'une mdmoire latente

pendant

une durie de temps

variable, correspond

I _un tel processus de convergence, oh l'activiti d'une certaine

population

de _{neurones se} maintient dans _un itat

(reproductible

d'une fois I

l'autre), qui peut

Atre difini _comme la

reprisentation

d'un _contenu de mimoire. La stabiliti d'un tel

attracteur est assurie _{par un} micanisme

d'apprentissage prialable

_on

admet, depuis Hebb,

que la trace

mnisique

_se situe dans les _synapses autrement

dir, l'apprentissage

modifie [es

efficacitis des

couplages synaptiques

_{entre neurones.}

Man _propos ici n'est _pas de dicrire la contribution de la

physique statistique

I la thdorie des r6seaux de _{neurones au cours} des derniAres annies

[13, 14],

mais

plut6t

de faire _un

exposd

de deuxiAme

gindration

_pour tenter de

replacer

_ces travaux dans _une

perspective plus

vaste.

3.

Aperqu

_sur la

complexitd

du _cerveau.

Le

neurobiologiste

Valentino

Braitenberg

_a donni _cette difinition concise

[15]

_: "Un _cerveau est une affaire

spatio-temporelle complexe peut-Atre descriptible

_comme l'occurrence de

10~°

potentiels

d'action dans

10~°

neurones au cours d'une vie humaine." Cette

phrase

mirite _une

explication

de texte.

3. I

BIOLOGIE,

COMPUTATION, ET CERVEAU. Ii _est

permis

de

prdtendre

_que

"biologie

₌

computation",

_pour ^deux raisons

a)

^{les structures vivantes}

(et

aussi certains artefacts

humains)

contiennent _une information codde

un Atre vivant doit dicoder l'information _contenue dans _son materiel

g6n6tique

b)

dAs

qu'il

_y a

vie,

it _{y a}

problAme

de survie dans _un univers dot> de corrilations

spatio-

temporelles,

ii est

avantageux

^{de faire des}

prddictions

afin d'amdliorer _ses chances de

survie,

et

N°2 NIVEAUX D'ETUDE DU CERVEAU, ET SAGESSE

PHYSIQUE

233

celles de _ses descendants.

Cependant

tout Atre vivant n'est pas dots d'un _cerveau. Les

animaux, mobiles,

_en ont

un les

v6g6taux

n'en ont pas. Un _cm interm6diaire _est instructif il

s'agit

d'un

mollusque

marin

qui

_est mobile dans _sa

jeunesse,

et

posslde

alors

un

systAme

_{nerveux pour}

guider

_ses

mouvements

lorsqu'il

est

adulte,

it _se

fixe,

_{et se met} I

dig6ier

_{son cerveau} devenu inutile.

3. 2 DES CHIFFRES GRANDS, MAIS PAS IMMENSES.

a) 10~°

+~

10~~ _neurones, c'est

beaucoup.

C'est l'ordre de

grandeur

du nombre d'humains

sur

terre,

^du nombre de

paires

de base dans le

g6nome

humain.

b)

10~~

+~

10~~ _synapses, c'est

davantage

_encore.

Ce chiffre est

plus significatif

_que le

pr6cident, puisqu'il

_gouverne la

capaciti

de

mimoire,

les synapses itant les iliments modifiables.

Cependant,

si _ce chiffre est

grand quant

^{I la} ressource

de

mimoire,

il _ne l'est _pas

en tant que mesure des communications entre cellules. Un _neurone

cortical est _en contact direct _avec environ dix mille autres, ce

qui

est une trAs faible fraction de l'ensemble total

(mime

si cette

connectiviti,

fort

supirieure

I celle

qui

existe entre

composants d'ordinateurs,

est _en soi _un

prodige stdrique).

D'oh une amorce

d'explication

_pour la

compartimentation

du _{cerveau en} aires celle-ci

permet

^de _regrouper, et de _{mettre en}

relations,

autant _que

possible,

les _neurones

qui

ant besoin

d'ichanger

^des informations _pour effectuer _un calcul _commun.

Le

dicoupage

en aires est souvent utilisi pour difinir les niveaux d'itude du _cerveau. On

parle

d'aires

primaires, secondaires, supirieures (de

bas _en

haut)

_{ou encore} de niveaux

perceptif-moteur, gnosique,

associatif. Le critAre utilisi est alors _un critAre de distance I la

piriphirie (en

_gros, nombre de _synapses

depuis

les

capteurs sensoriels,

_ou

jusqu'aux muscles).

C'est _un critAre de

position (I distinguer

des critAres de taille et de

digniti,

difinis

ci-dessous).

cl 10~° dicharges,

c'est _peu.

Sachant

qu'il

_{y a}

quelques

milliards de secondes dans _une vie

humaine,

cela veut dire _en

moyenne

quelques dicharges

_par seconde dans _{un neurone.} II n'est _pas

ddplaci

de ressentir

ici _un double itonnement _que l'extraordinaire diversitd et richesse de _nos

sensations,

de

nos

sentiments,

de notre vie mentale

douleur, plaisir, humour, souvenirs,

etc.

puisse

Atre

exprimie

_{avec une} telle uniforrniti de moyens

(le potentiel d'action),

et _{avec une} telle 6conomie

(si

_peu de

ddcharges).

Une

cons6quence

imm6diate de cette

paucit6

de

d6charges

est que le

cerveau n'a pas les _moyens de risoudre les

iquations

de la

m6canique.

3.3

DIVERSIT(

_DES

TiCHES

_ET CONTRAINTES ANTAGONISTES. le vais _{passer en revue}

rapidement

_une dizaine de

couples d'oppositions, portant

_sun [es _{structures et} les fonctions du

cerveau. Cette

liste, qui

n'a _aucune

prdtention

I

l'exhaustiviti, permet

de donner _{un peu} de

relief I

l'adjectif "complexe",

_ce mot

peut-Atre

^le

plus important

dans la

phrase

de

Braitenberg.

On _sera mieux I

mime, aprAs cela,

de situer (es difsirentes

approches

_en thiorie du _cerveau, selon le choix

qui

est fait _par telle _ou telle

approche

d'insister _sun tel _ou tel des termes

opposds

dans

chaque couple.

a) arithmitique

_vs.

"logique".

Un _{neurone pose une}

question

incisive est-ce que la _somme de _ses entries est

supirieure

I _son seuil ? Une

riponse fruste,

mais

rapide

et

largement diffus6e,

est donn6e h _une telle

question qui

_peut Atre trAs

subtile,

_en raison de la

multiplicit6

des entries. C'est _{en ce sens} que van

Neumann,

I la fin de _son dewier livre

[16], parlait

de la

grande capacitd "logique"

du

cerveau,

qui

contraste _{avec son}

incapacit6 flagrante

de _mener des calculs

arithm6tiques.

Ceci mine _au

point

suivant

b) computation

_vs. m6moire.

Si

l'impr6cision

dans l'activiti des _neurones exclut _toute

possibiliti

de _mener des calculs

algibriques

de

quelque ampleur,

il reste I faire

appel

aux ressources de m6moire. La solution des

problbmes

semble s'obtenir _par

apprentissage

et

interpolation

_:

apprentissage d'exemples

de

correspondances entr6e-sortie,

d'une maniAre

qui permet

le traitement _par

interpolation

de nouvelles entries. Noter _que dans le _cerveau, I la diff6rence des

ordinateurs,

_un contenu de m6moire n'est ni

effagable

I

volont6,

ni

transportable

_{par une} units centrale

[17].

c) stochastique

_vs. d6terministe.

La stochasticiti diminue la

pricision cependant,

il _{y a}

beaucoup

de

spiculations

_{sur son} role et ses

avantages possible (ex

_une

optimisation,

_en

prisence

de

bruit, permettrait

d'atteindre

un mode de fonctionnement

plus robuste,

_{aux coups} du sort et de

I'£ge,

_{que ne} le ferait _une

optimisation

_en l'absence de

bruit,

raflinie mais

fragile).

Tandis

qu'un

mode de traitement

diterministe,

liable et

rapide,

est dvidemment ddsirable _pour

l'accomplissement

de tiches telles

que la coordination des mouvements.

Questions apparentdes

Parmi _toutes les

ddcharges

neuronales, quelle

est la

proportion

de celles

qui

sont

significatives,

_porteuses d'information ?

Et comment cette information est-elle codde ? Une

hypothAse

est que la

frdquence

de

dicharge

d'un _neurone code _pour la

probabiliti

_p

q'une

certaine assertion soit vraie

(p

=

probabiliti

de

prisence

d'un certain

objet

dans le monde

extirieur,

d'un certain stimulus dans le

champ r6cepteur

dudit _neurone,

etc.). Cependant

Barlow _a

plaidi qu'un

_neurone cortical 6tait _un ditecteur de coincidences

suspectes,

^{dont la}

fr6quence

de

dicharge

code _pour le caractAre

inattendu, surprenant,

^bref _pour ^la rareti d'un certain ivinement

(rareti

_que l'on

exprimera

alors _comme

-lnP,

oh P est la

probabiliti

de l'iv6nement

ditecti).

d)

liniaire _vs. nonliniaire.

Cette distinction _a

diji

iti

ivoquie

_en section 2. La liniariti est

avantageuse

_pour la transmission fidAle de l'information. La notion de

champ ricepteur

d'un _neurone

(dans

les aires

perceptives),

de

champ

effecteur

(dons

[es aires

motrices),

n'a

guAre

de valeur _{sans une}

hypothAse

de

composition

liniaire. En

revanche,

la nonliniariti est nicessaire _pour la

prise

de ddcision.

e)

discret _vs. continu.

Autrement

dit, digital

_vs.

analogue,

voir section 2.

f) synchronie

_vs.

asynchronie.

A la difldrence des

ordinateurs,

[es _cerveaux n'ont _pas

d'horloge globale. Cependant,

_on

observe des

phinomAnes d'oscillations,

et ii _{y a}

beaucoup

de

spiculations

ricentes _sur la

possibiliti,

_ou la

ndcessiti,

d'effets de

synchronie.

g) parallAle

_vs. siriel.

Une

capaciti

de traitement

parallAle

est

indispensable

_pour

l'accomplissement rapide

de tiches du

type

reconnaissance des formes. L'industrie

informatique

est bien consciente des limitations de l'ordinateur

siriel,

et

s'emploie

I

divelopper

des architectures de

plus

_en

plus parallAles. Cependant,

il existe aussi

beaucoup

de processus siriels dans le fonctionnement du

cerveau

attention, diplacement

du

regard, langage,

etc.

h)

distribud _vs. localisd.

Pour _un

percept,

un contenu de

mdmoire, etc.,

_une

reprisentation

distribute est robuste

au

bruit,

et risiste mieux _aux

digradations

neuronales. Tandis

qu'une

mimoire localisie

(obtenue

par

codage dilui, 'sparse coding') penmen

une utile riduction de redondance

[18].

I)

feedforward _vs feedback.

La

proaction permet

un calcul

rapide.

La ritroaction offre la

possibiliti

d'atteindre _une

plus grande profondeur logique,

^{I nombre de} neurones donni. C'est

justice

_un riseau de taille

jimitie _ne

peut

^faire un calcul trAs

"intelligent"

_{en un}

temps

^trAs court.

N°2 NIVEAUX D'ETUDE DU

CERVEAU,

ET SAGESSE

PHYSIQUE

235

j)

facilitation

(sensibilisation),

conflation _vs. habituation

(disensibilisation),

dicorr61ation.

Dans _une mimoire

associative,

diffirents iliments d'un

objet,

d'un

ipisode,

_sont corrilis entre eux, de maniAre _que l'ivocation de l'un suscite le

rappel

des autres. A l'ichelle

cellulaire,

la

rAgle

d'apprentissage

de Hebb-renforcement des _{synapses entre neurones} simultaniment actifs-est

un moyen eflicace de favoriser (es corrilations.

Cependant,

dans

beaucoup

de _ses

tiches,

le

cerveau doit effectuer _au contraire _une ddcorrdlation

(par

besoin d'dconomie dans le traitement

des informations

sensorielles,

et dans le

stockage

de la

mimoire).

C'est _un micanisme de

signe opposi,

dir

anti-Hebb, qui parait

alors nicessaire. Mars comment le matiriel

disponible peut-il conjuguer

^l'un et l'autre micanisme ?

La vague ricente des

physiciens

_venus de

physique statistique

_{a eu} tendance I mettre initialement l'accent _sur (es

aspects c) stochastique, d) nonliniaire, f) asynchronie, g) parallAle, h) distribui, j)

conflation. Ces choix

s'expliquent

en bonne

partie

_par

l'exploitation

de

l'analogie

_avec les

sytAmes magndtiques

disordonnis

(du type

verres de

spin).

et par le souci d'insister _sun (es diffirences entre cerveau et ordinateur

classique.

Mais l'heure _est maintenant I _une vision moins

itroite,

et

plus comprihensive,

de la diversiti des riches et des

contraintes,

ce

qui

facilite _un

dialogue plus

fructueux _avec [es autres

disciplines

intiress6es. Dix

couples d'oppositions,

cela fait

2~°,

soit iuille choix

possibles d'approches

C'est _{encore une}

fagon

de faire sentir la

complexiti

du _cerveau.

Toute la discussion

pricidente

est nestle

(volontairement,

en

partie

du

moms)

fort alive.

Cependant

_ces considirations

peuvent

^{servir I favoriser} une riflexion

plus

instruite par

exemple,

il devient _assez intiressant de concevoir le

filtrage

de l'information assuri _par (es micanismes

attentionnels,

et (es _processus de la mimoire I court terme, comme des _moyens de risoudre

quelques-unes

des contradictions

ivoquies

ci-dessus

[19, 20, 21].

4. Niveaux d'dtude du _cerveau.

Passons _sun la

conception

de l'hoiuunculus

(le petit

hoiume darts le

crhne,

derriAre _ses tableaux de

bond)

niive

certes,

mais dont il est diflicile de _se dibarrasser tout I fait. Descartes s'itonnait

que

l'image

formie _sun la ritine soit

inversie,

et

qu'on

voit droit. On dit couramment que le Greco

peignait

des personnages

allongis

I _cause d'un difaut de _sa

vision,

_comme s'il _ne

voyait

pas ses

peintures

_avec les inAiues _yeux. En

fait,

la

conception

de l'homunculus _{suppose une}

rigression

I

l'infini,

et donc _une infiniti de

niveaux, puisque

le

sujet

observateur est

toujours repoussi plus

loin.

Un seul

niveau,

_en

revanche,

c'est tout _ce I

quoi

_se riduit le _{cerveau, pour} les behavioristes

adeptes

de la boite noire.

Mis I

part

ces cas

extrAmes,

la

plupart

des auteurs s'accordent _pour difinir trois niveaux.

Alais _{que penser} de cet accord _sun le

nombre,

tan< [es difinitions diffArent ?

On observe _en eflet _que (es critAres de ddfinition des niveaux son< fort

hitirogAnes.

En section

I,

_a ALA

ivoquie

la classification

hiirarchique

de

Marr, qui

_repose sun ce

qu'on appellera

un critAre de

digiiitd l'implimentation

matirielle est

bas-niveau,

le but

computationnel

est haul-niveau. En section

3,

^{le critAre de}

position

_{a ALA} mentionni les niveaux son< alors des aires

ciribrales,

et le flux de l'information difinit bas et haut la

piriphirie

est _en

bas,

les aires

cognitives

centrales sont en haut. Un autre

critAre, plus

conforme I la tradition

physique,

est celui de la taille

on pane alors de

circuits, assemblies, super-asseinbldes.

Selon

ce critAre de

taille,

le niveau infirieur est inclus dans le niveau

supdrieur,

_coinme c'est _en eflet le _cas

pour la difinitioii

physique

des iiiveaux

nucldaire, atomique,

moldculaire

: le _noyau est _une

partie

de

l'atoine, qui

est _une

partie

de la inolicule. De

mime,

le niveau

macroscopique

de la

thermodynainique

est situi au-dessus du niveau

microscopique

de la

inicanique statistique.

Pour _ce

qui

_conceme le _{cerveau, on} voit que ce critAre de

taille,

_ou d'inclusion

(le

^has-niveau

inclus dans le

haul-niveau),

diflAre _nettement d'un critAre de

position

dans le flux d'inforination

(oh

le bas-niveau c6toie le

haul-niveau).

Cependant, aprAs

avoir mis _en ividence _ces incohirences de

difinition,

notre message ne sera pas de dire

qu'il

taut

prifirer

_un critAre I _un

autre,

mais _au contraire de

suggirer

_que

la nature ne se

pliant

_pas I _une stratification verticale

simple,

mieux vaut _renoncer I _une hiirarchie unifiie. Passer _{par ce}

renoncement,

c'est

peut-Atre

se mettre en meilleure

position

pour

percevoir

la

complexiti

du _cerveau.

En

fait,

^l'ibauche de telles

complications apparait diji

_en

physique

de la matibre condensie.

Avec des molicules _on

peut

^faire un

solide,

_{ou un verre, ou} du

caoutchouc,

_{ou une} cellule

biologique

Le

diagramme

de

phase

d'un matiriau

peut

^Atre

compliqui,

_avec des

lignes

de transition

correspondant

I des

symdtries

brisies de natures trAs

diverses,

dont

l'interprdtation

(era

appel

k des formalismes

thioriques

hitdroclites. Les

systAmes magndtiques

disordonnis fournisssent

un

exemple

iclairant I cet

igard.

Le

problAme

d'une

impureti magnitique

^isolie

dans _un

mital, appeli

aussi eflet

Kondo,

avait 6td 6tud16 dans

l'espoir qu'il

servirait de socle I l'6tude des matdriaux

ferromagnitiques.

^Mais

lorsque

la concentration

d'impuretis

magnitiques augmente,

_un

phinomAne

tout autre

apparait,

la

phase

_verre de

spin,

dont le formalisme

thiorique approprii (brisure

de la

symitrie

des

rdpliques)

est irrdductible I celui de l'eflet

Kondo,

_comme I celui du

ferromagndtisme.

Il itait donc _en l'occurrence illusoire de concevoir l'existence de trois niveaux d'itude

superposis (une impureti, quelques impuretis, beaucoup d'impuretis).

5. Tkois niveaux d'dtude ?

C'est _{un passage} d'un livre ricent

[22] qui

m'a fait

prendre

soudain conscience de la bizarre unanimiti _{sur ce} nombre

3,

_par oh (es divers schimas de classification des niveaux d'dtude du

cerveau semblent

s'accorder, quelle

_que soil

l'ampleur

de leur

disaccord,

_par

ailleurs, quart

I la maniAre

adiquate

de difinir _ces niveaux.

George

Steiner

ivoque

"Le scinario freudien

tripartie

de la

psychi (qui

est lui-m@me

une

image

tellement

transparente

de la _cave, des

piAces

de

sijour

et du

grenier chargi

de inimoire de la inaison

bourgeoise) [...]".

II

s'agit

de la trinitd

freudienne du _ga, du moi et du surmoi.

Dans la fameuse classification du

neurobiologiste

McLean

[23],

^{la division du} cerveau humain

en trois domaines

(reptilien, mainmiRre, primate)

fait intervenir _un critAre de

position,

doubli d'un

argument

ivolutioniste

qui

confAre

supirioriti

_aux structures tardives _sur les structures

archiiques.

Au dibut des annies

80,

^le

philosophe Jerry

Fodor

[24],

dans _son livre _sur la modulariti de

l'esprit, distingue systAmes

transducteurs

(capteurs sensoriels, muscles), systAmes

d'entrie

(pritraitement), systbmes cognitifs

centraux comme on

voit,

c'est _une hiirarchie fondle _sur

un critAre de

position

dans le flux d'information.

Rappelons qu'un philosophe antirieur, Kant, distinguait sensibiliti, entendement,

raison.

La trichotomie de David

Marr, ivoquie

_en section

2, reprend

la _coupure, faite _par le

cognitivisme "classique",

_en deux

catigories sub-symbolique (hardware)

et

symbolique (software),

la

catigorie symbolique

itant elle-mAme subdivisie _en niveaux

algorithmique

et

computationnel.

^En

linguistique,

la subdivision de la

catigorie symbolique

_se fait _en niveaux

syntactique

et

simantique.

Les diflicultis

d'appariement, lorsqu'on

tente de faire coincider des niveaux difinis selon des critAres aussi

disparates,

sent bien illustries dans _une tentative ricente de

dialogue

entre _un

biologiste

et un mathimaticien

[25].

N°2 NIVEAUX D'ETUDE DU

CERVEAU,

ET SAGESSE

PHYSIQUE

237

6. Discussion

La thdorie des rdseaux de _neurones est-elle voude I rester confinde I l'dtude du niveau sub-

symbolique

de

l'impldmentation

? Ou bien

peut-elle

contribuer aussi I la

comprdhension

du

niveau

sdmantique,

le

plus dlevd,

dans l'dtude du

langage

?

Si l'on croit I l'existence de trois niveaux d'dtude bien

superposds (niveau

neuronal

d'impldmentation,

niveau

syntactique,

niveau

sdmantique),

on sera tentd de

rdpondre posi-

tivement I la

premiAre question,

et

ndgativement

I la seconde. Mais si l'on _renonce I

imposer

un tel schdma unifid

a

priori,

ces

questions

restent ouvertes. De

fait,

it est vraisemblable _que le caractbre distribud de leurs

reprdsentations joue

_un role

important

dans les associations entre

concepts.

La

gdndrativitd

"infinie" de la

syntaxe (la capacitd

de

produire

inddfiniment des

phrases

_nou-

velles,

bien form4es mais dventuellement

ddpourvues

de

sens)

est-elle _une fonction

supdrieure

?

Ou bien cette

gdndrativitd s'apparente-t-elle

I la

mdcanique

motrice

capable d'engendrer gestes

et

acrobaties,

variis I l'infini ? La

riponse

I de telles

questions,

entre

autres,

_sera influencie par la

conception, plus

_ou mains

rigidement verticale, qu'on

_se fait des niveaux d'itude du

cerveau.

Dans toute

investigation scientifique,

le chercheur

procAde

_par

analyse

_ou

synthAse,

et ii

est souvent commode de difinir des niveaux d'itude.

Mais,

en

bref,

_ce

repAre

local n'est _pas

nicessairement

global.

La

physique

de la matiAre condensie _a

diji

montri que ce n'est _pas sagesse de

projeter

_une

image

de stratification

globale,

^li oh la nature

s'y plie

mal.

Remerciements.

A la mimoire de

Rammal, qui

fut _mon filleul

Cnrs, je

souhaite associer celle de _man

pbre, qui

s'est iteint

sept

mois

plus

tard.

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