samedi 13 mai 2017

Notre Cerveau Est-il Comparable à Internet et à un Ordinateur ?



La carte des connexions neuronales dans le cortex cérébral
 est similaire à la structure du réseau des réseaux


Pendant des années, les neuro-scientifiques se sont mis à la recherche d'indices sur le fonctionnement du cerveau grâce à sa structure, notamment le rôle des lobes et les circonvolutions. Plus récemment, ils se sont intéressés à la manière dont les neurones sont connectés entre eux, grâce à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf).

Un "mini-Internet" dans le cerveau


Selon une étude réalisée par des scientifiques de l'Université de Californie du Sud, publiée dans PNAS en avril 2015, Le cortex cérébral de la souris est comme un mini-Internet.

Le web comporte d'innombrables réseaux locaux qui sont reliés à des réseaux régionaux, qui eux-mêmes sont connectés à l'épine dorsale. Le cerveau fonctionne de manière similaire.

Le cerveau de rats de laboratoire ressemble suffisamment au cerveau humain, beaucoup plus complexe, comme pour fournir des données intéressantes et des expériences impossibles chez l’homme, il est donc plus facile à étudier.

Cartographie des connexions
neuronales du cortex cérébral
Le cortex cérébral d'un rat est composé de quatre réseaux : deux réseaux locaux (en bleu et rouge) constituent la "partie interne" du cortex cérébral du rat : l'un coordonne la vision et l'apprentissage, l'autre la fonction musculaire et d'autres organes. Un autre réseau, plus important (en vert) gère l'odorat. Un dernier (en jaune) assemble et donne un sens à l'ensemble des informations provenant des trois autres réseaux.

Cette cartographie met en évidence le fait que certains flux d'information sont génétiquement "câblés" dans le cerveau. Les données étaient déjà là ; il fallait juste les compiler dans un format exploitable. Les chercheurs ont créé une base de données de plus de 16.000 connexions neuronales (provenant de 1.923 cerveaux de souris), dont ils évaluent à la fois la force de la connexion et la fiabilité de la méthodologie utilisée pour le découvrir. Le processus a pris plus de 4.000 heures pour regrouper l'ensemble des données.

L'équipe de chercheurs a ensuite identifié les réseaux locaux, et a découvert des "hubs"  des centres fortement interconnectés et cruciaux pour relier les réseaux locaux ensemble . Des recherches antérieures ont montré que les régions identifiées par l'équipe comme des "hubs" peuvent être, lorsqu'elles sont endommagées, à l'origine de maladies neuro-dégénératives et de crises d'épilepsie.

Les chercheurs se sont essentiellement appuyés sur des études de cerveaux de rats car le milieu scientifique dispose d'une quantité remarquable de données chez cet animal. Dans l'avenir, ils espèrent être en mesure d'élargir cette cartographie à l'ensemble du système nerveux. Ainsi, elle pourrait créer un lien entre l'étude du cerveau de rats et celle du cerveau humain. Avoir une cartographie du cerveau de rat permet de faire circuler les connaissances entre les études humaines et animales. Cela permettra de vérifier si les découvertes faites chez l'animal sont susceptibles d'être appliquées chez l'homme.


Le cerveau humain aurait une capacité de stockage phénoménale


Selon une étude réalisée par des chercheurs de Salk Institute for Biological Studies (La Jolla, Californie), publiée dans la revue eLife en janvier 2016, notre cerveau aurait des capacités de stockage d’informations dix fois plus grandes que ce que l’on pensait jusqu’à aujourd’hui.

Notre cerveau pourrait stocker 1 péta-octet de données. Ce chiffre représente toutes les informations contenues sur le web, 1 million de milliards d’octets.

Le cerveau humain est composé d’environ 86 à 100 milliards de neurones. Chaque neurone constitue environ 1.000 connexions avec d’autres neurones, soit environ 100.000 milliards de connexions. Si chaque neurone ne pouvait stocker qu’un seul souvenir, le manque d’espace serait sans doute un problème.

En réalité, les neurones se combinent de manière à ce que chacun contribue à emmagasiner beaucoup de souvenirs à la fois. Cela a pour effet d’augmenter de façon exponentielle la capacité mémorielle du cerveau pour arriver à quelque chose de l’ordre de 2,5 péta-octets (1 péta-octet = 1 million de giga-octets).

Pour en arriver à une telle conclusion, les neuroscientifiques ont réalisé une modélisation en 3D de l’hippocampe d’un rat, la région cérébrale au cœur de la mémoire. Une analyse de ce modèle a posteriori, a ainsi permis de révéler une diversité de tailles parmi les synapses, les zones de connexion situées entre les neurones. On sait depuis longtemps que ces éléments jouent un rôle primordial dans le traitement des informations cérébrales. En témoignent notamment les différentes maladies neurologiques liées à leur dysfonctionnement. Des synapses plus diversifiées qu'estimées. Ces jonctions assurent l’interaction entre les neurones et le bon fonctionnement de l’activité électrique et chimique régissant notamment nos pensées et souvenirs.

Jusqu’à présent, la communauté scientifique s’accordait pour classer les synapses en trois catégories de taille : petite, moyenne et grande. Toutefois, la nouvelle modélisation suggère l’existence de vingt-six types différents de synapses, soit près de dix fois plus. Par ailleurs, toutes les deux ou vingt minutes, les synapses augmenteraient ou diminueraient d’une taille. Selon les scientifiques, cette variété de dimension et cette capacité à se transformer traduiraient une certaine adaptabilité face au volume d’informations à traiter.

Les résultats fournissent également une explication de l’efficacité surprenante du cerveau. Le cerveau adulte au réveil génère seulement 20 Watts de puissance continue, autant qu’une ampoule d’éclairage très faible. La découverte pourrait aider les informaticiens à construire des ordinateurs ultra-précis avec une faible consommation, en particulier ceux qui emploient “d’apprentissage profond” et des réseaux de techniques neuronales artificielles capables d’apprentissage et d’analyses sophistiqués, comme la parole, la reconnaissance d’objets et la traduction.


Le cerveau, marche-t-il comme un ordinateur ?

Notre cerveau est probablement l’organe ressemblant le plus à un ordinateur moderne. Non seulement il peut traiter, assimiler et résoudre des divers problèmes, aussi, grâce à la mémoire, on peut stocker des informations, les utiliser, y accéder et l’interpréter.

La capacité du cerveau humain à apprendre et à mémoriser l’information semble pour le moment avoir une durée illimitée. La tâche de calculer les souvenirs que nous pouvons garder en octets n’est pas exactement facile, principalement parce que nous ne connaissons pas une méthode fiable pour mesurer mathématiquement la mémoire, mais une simple étude des propriétés biologiques du cerveau permet de savoir que nous n’avons pas à nous soucier de “manquer d’espace” dans n’importe quel moment de notre vie.

L'ordinateur est largement supérieur à l'être humain pour calculer, mémoriser et classer des informations. Cependant, pour des opérations cérébrales comme raisonner, analyser son environnement et communiquer, l'être humain le surpasse complètement. En effet, l'ordinateur est loin de la compréhension, d'une pensée autonome et son “intelligence” réside dans les programmes qu'il exécute, lesquels doivent être réalisés par l'être humain.

Nous avons environ 100 milliards neurones, qui à son tour, forment 100.000 milliards de connexions (peut atteindre plus) avec d’autres neurones. En faisant un calcul approximatif et en tenant compte du fait que, avec toutes ces connexions, nous multiplions la capacité de notre cerveau, on peut stocker environ 2,5 péta-octets (un pétoctet équivaut à 1024 milliards de giga-octets). Pour avoir une idée, cette capacité de stockage équivaut à 3 millions d’heures de vidéo, quelques 300 ans de jeu continu.

Comparaison entre l’ordinateur et le cerveau


La différence essentielle entre les ordinateurs et le cerveau humain est la façon dont le traitement est fait ; sa configuration est fondamentale.

Les ordinateurs modernes ne sont rien d’autre que des versions plus jeunes et plus efficaces que leurs arrière-arrière-grand-mères, les calculatrices. Ils utilisent encore une horloge centrale pour faire les calculs et, au fond, plus cette horloge est rapide, plus la capacité de traitement est importante. C’est pour cette raison que lorsqu’il s’agit de processeurs et de la vitesse d’un ordinateur, on dit 2 GHz ou 3 GHz ; ce sont des fréquences, pas de vitesse, mais plus elles sont élevées, mieux c’est.

Un ordinateur est fait de composants fonctionnant dans un but précis. Cependant, il nécessite pour cela des programmes qui lui indiquent comment procéder. Ces programmes étant créés par l’homme, ces ordinateurs ne sont pas autonomes et dépendent des programmes provenant des cerveaux des programmateurs. Faire d’un ordinateur une chose capable d’apprendre par elle-même et dépassant les limites qui la bloque (fonctionnement strict et connexion figé) est l’enjeu majeur de l’intelligence artificielle.

Le cerveau a une structure évolutive, constamment en changement, jamais le même de personne en personne, il n’a pas besoin de “programme” pour fonctionner. Même si l’ordinateur est infaillible, bien rapide et efficace en traitement de données que l’homme, la souplesse du cerveau humain lui permet une autonomie et liberté totale ainsi qu’une fonctionnalité évolutive.

Dans les ordinateurs le processeur et la mémoire ne sont pas intégrés, ils sont essentiellement deux éléments différents. Dans le cas du cerveau tous sont deux entièrement assemblées, ce qui a ses avantages du point de vue du traitement, mais ses inconvénients sont évidents, puisque nous n’avons pas encore découvert comment faire une extension à notre mémoire cérébrale telle que nous le faisons aux ordinateurs.

Les ordinateurs cognitifs seront finalement une partie de notre réalité et prendront de meilleures décisions que les êtres humains, basées sur des données, des recherches et des précédents et même ils vont raisonner sur la meilleure façon de faire les choses.

Cependant le cerveau humain reste encore très complexe et son mode de fonctionnement reste très imprécis pour l’instant, mais l’étude continue.


Une interface sans fil cerveau-machine dédiée aux handicapés

Des chercheurs de la Brown University en partenariat avec l’entreprise BlackRock Microsystems, sont parvenus en 2015, à élaborer une interface sans fil qui pourrait permettre aux handicapés de contrôler ordinateurs, chaises roulantes et autres objets par la pensée, sans nul besoin de câbles extérieurs.

Initialement né d’un consortium visant à développer des techniques de contrôle par la pensée pour les personnes handicapées, le projet BrainGate a débuté il y a un peu plus de 10 ans par des implantations de puces dans les cerveaux des patients. La puce était reliée à des ordinateurs via un câble, et détectait l’activité électrique du cerveau, censée traduire la volonté d’effectuer des mouvements ou des actions. Mais ces expérimentations ont vite trouvé leur principale limite : aucun de ces dispositifs ne peut être utilisé dans des conditions "normales". Il faut en effet plusieurs assistants scientifiques pour que l’implant fonctionne correctement, et il est difficile pour un patient d’utiliser ce dispositif dans la mesure où il doit être connecté en permanence à une multitude de câbles.

Fonctionnement. La puce attachée au crâne est reliée à des électrodes disposées dans le cerveau qui récoltent l’activité neuronale. Le terminal est constitué d’un amplificateur d’ondes (pour que les signaux soient suffisamment puissants pour être réutilisés), de circuits pour numériser l’information ainsi que d’une radio émettant les ondes à des récepteurs. Et l’information est extraite à une vitesse de 48 MB/s, vitesse similaire à la connexion Internet d’un foyer. Le dispositif est alimenté par une batterie, et ne consomme quasiment rien (seulement 30 milliwatts).

Si certains dispositifs similaires ont déjà été confectionnés auparavant, la rapidité du dispositif peut extraire du cerveau une grande masse de données (équivalente à 200 DVD par jour).

Les électrodes présentes dans le cerveau sont alors capables de récolter l’activité de 100 neurones à la fois. Ces signaux peuvent maintenant être traduits de façon suffisamment précise pour savoir quel mouvement un être humain souhaite réaliser. Les tests en cours sur une demi-douzaine de patients et de singes montrent qu’il est possible de contrôler une souris d’ordinateur ou encore un bras robotique simplement par la pensée. Ces dispositifs comportent encore des risques pour être utilisés dans un cadre domestique. Ils peuvent causer des infections sous la peau.

L’aspect financier peut être un obstacle de taille même si les technologies relatives à l’électroencéphalographie (EEG) sont maintenant de moins en moins chères. De simples casques low-cost peuvent permettre de contrôler des fauteuils roulant avec la pensée. Mais ces dispositifs sont encore complexes, et nécessitent une puissance bien supérieure pour être précis et être totalement fiables.


BlackRock a commencé à vendre le processeur sans fil, baptisé Cereplex-W et coûte 15.000 dollars, à des laboratoires de recherche qui travaillent avec les primates. Depuis 2015 une demi-douzaine des paralysés, y compris dans les phases finales de la sclérose latérale amyotrophique participe aux essais pour BrainGate.


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