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Cet ensemble de textes a été conçu à la demande de lecteurs de la revue en ligne Automates-Intelligents souhaitant disposer de quelques repères pour mieux appréhender le domaine de ce que l’on nomme de plus en plus souvent les "sciences de la complexité"... lire la suite

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15 juin 2014 7 15 /06 /juin /2014 07:22

Transférer les contenus de mémoire d'un cerveau à l'autre
Jean-Paul Baquiast 13/06/2014

Cet intitulé fait allusion à des expériences menées actuellement avec succès chez le rat mais qui pourraient être étendues à l'homme. L'objectif en est d'abord thérapeutique. Il s'agit de réhabiliter le cerveau de personnes ayant subi certaines formes d'attaques cérébrales ou maladies dégénératives empêchant ledit cerveau de transférer le contenu d'une aire cérébrale donnée A à une autre B, ces aires cérébrales elles-mêmes n'étant pas atteintes. On se trouve en ce cas dans une situation analogue à celle de deux personnes ne pouvant plus avoir d'échanges téléphoniques, la ligne téléphonique les reliant ayant été coupée.

En théorie, la solution à ce problème est simple. Il faut enregistrer dans l'aire A, par un dispositif électronique externe, le contenu de mémoire à transférer et le réinjecter dans l'aire B, en court-court-circuitant la partie malade. L'opération doit être faite dans les deux sens, de façon à ce que se rétablisse un dialogue entre les aires cérébrales intéressées. Les processus permettant un tel transfert à l'intérieur du cerveau d'une personne donnée étant mis au point, on peut envisager d'étendre le transfert de cette personne à une autre. On enregistrera le contenu de l'aire A d'une première personne et on le réinjectera dans l'aire B d'une autre personne...Le dispositif électronique en charge de cette opération rendra possibles différentes solutions augmentant l'intérêt du transfert: relier des cerveaux séparés par de grandes distances, mémoriser les contenus pendant un temps indéterminé, éventuellement construire des bases de données de contenus.

Aujourd'hui l'on sait réaliser les bases élémentaires de cette opération, mais dans un seul sens. Ainsi il est possible d'obtenir en sortie la commande d'un bras robotique par l'intermédiaire de la lecture dans le cerveau des instructions cérébrales données par le patient, et du transfert de ces instructions à la machine. Dans l'autre sens, c'est-à-dire en entrée, il est possible de faire pénétrer dans le cerveau des informations provenant d'un dispositif électronique de lecture, afin de les rendre utilisables par ce cerveau. Il en est ainsi des implants cochléaires en matière d'audition et de certains dispositifs externes permettant de suppléer à une vision défaillante. Mais dans ces divers cas, les données émises ou reçues par le cerveau sont relativement simples et bien identifiées, tant concernant les messages électroniques que les aires cérébrales et associations de neurones susceptibles de les traiter.

Concernant les transferts de contenus de mémoire, le problème à résoudre n'est pas très différent, en termes de circuiterie, électronique ou neurologique, de celui consistant à recueillir en entrée ou en sortie des instructions motrices ou sensorielles. Dans les deux cas, il faut utiliser des capteurs externes (casques) permettant de recueillir ou de créer ce que l'on appelle les ondes cérébrales. Comme ces capteurs externes sont aujourd'hui encore très rudimentaires, il a fallu se résoudre à mettre en place des implants cérébraux, sous forme de sondes de moins en moins invasives et de plus en plus sensibles, assurant la connexion avec des groupes de neurones, voire avec des neurones individuels. La chose ne pose pas en principe de problèmes éthiques quand il s'agit d'animaux. Ce n'est évidement pas le cas en ce qui concerne les humains. Les techniques utilisées se perfectionnent cependant tous les jours. Nous ne les évoquerons pas ici.

Contenus de mémoire

Mais la véritable difficulté provient de la complexité et même de l'obscurité s'attachant aux mécanismes correspondant à ce que l'on appelle la mémoire, que ce soit chez l'animal ou chez l'homme. D'abord, il existe différentes sortes de mémoire, mémoire de travail, mémoire à long terme...Il faut choisir le type de mémoire à laquelle on s'attachera. D'autre part et surtout, la mémoire fait intervenir des milliards de neurones et des centaines d'aires cérébrales réparties dans le cerveau. Comment identifier le ou les neurones responsables d'un contenu de mémoire particulier? Comment faire apparaître la façon par laquelle ils se conjuguent pour constituer des paysages mémoriels complexes? Comment s'assurer que les combinaisons ainsi obtenues, valables pour un individu, pourront être reconnues et utilisées par un autre?

Ceci d'autant plus que les mémoires immédiates ne prennent de sens qu'après confrontation dans le cerveau avec les contenus cognitifs et culturels correspondants à des mémoires à long terme, variant nécessairement d'un individu à l'autre, ayant mis par ailleurs plusieurs dizaines d'années à se construire et se trouvant pour la plupart hors de portée d'une prise de conscience dite volontaire.

Il se trouve cependant que les mémoires à long terme se forment en passant par une sorte de gare de triage qui est l'hippocampe. L'hippocampe (source wikipedia) est une structure du cerveau des mammifères. Il appartient notamment au système limbique et joue un rôle central dans la mémoire et la navigation spatiale. Chez l'homme et le primate, il se situe dans le lobe temporal médian, sous la surface du cortex. Comme le cortex avec lequel il est en étroite relation, c'est une structure paire, présente de manière symétrique dans chaque hémisphère L'hippocampe a été très étudié chez le rongeur pour son implication dans les systèmes de l'inhibition du comportement, de l'attention, de la mémoire spatiale et de la navigation. Une des conséquences d'une lésion à l'hippocampe sur le comportement du rat est l'augmentation de l'activité (déplacement, exploration, etc.). Beaucoup des cellules de l'hippocampe du rat ou de la souris répondent comme des cellules de lieu : elles émettent des trains de potentiel d'action lorsque l'animal passe à des endroits précis de son environnement. Ces cellules de lieu interagissent fortement avec des cellules codant pour la direction de la tête dans l'espace et avec les cellules de grille du cortex entorhinal voisin et sont supposées jouer un rôle clé dans la navigation spatiale (formation de carte cognitive).

MIMO

Dans ces conditions, si l'on place des électrodes dans l'hippocampe du cerveau d'un rongeur (ou de tout autre animal), il devient possible de recueillir les traces électriques de potentiels d'action. On peut également, à l'inverse, y injecter des messages électriques générant de tels potentiels. Mais ceci ne suffit pas pour identifier les contenus sémantiques des messages circulant dans l'hippocampe, d'autant plus que ceux-ci sont très nombreux et peu diversifiés. Cependant, dans les années 1990, le Pr. Theodore Berger de l'Université de Sud Californie eut l'idée fondatrice de faire appel à une technique dite multi input/multi output (MIMO) .

Celle-ci est utilisée dans les réseaux sans fil et les réseaux mobiles pour permettre des transferts de données à plus longue portée et à plus grande vitesse qu’avec des antennes utilisant la technique SISO (Single-Input Single-Output). Elle permet aussi d'éliminer les bruits de fond et messages parasites. Nous pouvons à cette occasion faire remarquer les gains qu'apportent les approches inter-disciplinaires, ici entre les neurosciences et les télécommunications. Si elles pouvaient être généralisées, il en résulterait sans doute et à moindre coût des découvertes surprenantes.

Theodore Berger a montré que par l'utilisation de MIMO en neurosciences, il pouvait identifier des messages significatifs au sein du bruit formé dans l'hippocampe par des millions de neurones déchargeant simultanément. Ces messages recueillis par une sonde pouvaient ensuite être réinjectés dans l'hippocampe d'un autre animal et produire le même résultat que celui produit dans le cerveau de l'animal initial.

Ces résultats furent appliqués chez des rats. Berger, avec les Pr. Deadwyler et Hampson, purent recueillir les contenus de mémoires de rats entrainés à accomplir des tâches déterminées. Ces contenus réinjectés dans le cerveau d'un rat ainsi entraîné, puis drogué afin qu'il perde l'accès à sa mémoire antérieure, permettaient au rat de retrouver les comportements appris. La même chose se produisait d'un rat à un autre, le contenu de mémoire d'un rat entrainé, injecté dans le cerveau d'un rat vierge, permettait à celui-ci de faire appel aux compétences acquises par le premier.

Un champ illimité

Ultérieurement, les chercheurs ont utilisé ces procédures pour explorer les mémoires bien plus complexes de macaques témoins et transférer les connaissances acquises par l'un des macaques à d'autres. Le champ de telles recherches est pratiquement illimité, comme l'on devine. Mais les expériences visant chez l'homme à réparer les processus de transmission de contenus de mémoire d'une aire cérébrale à l'autre se poursuivent en priorité, puisque la demande est considérable.

Aujourd'hui, l'on envisage d'introduire à demeure dans les cerveaux des puces dotées des électrodes adéquates qui rétabliraient des ponts entre aires cérébrales intervenant dans des fonctions essentielles. Une puce dans l'hippocampe permettrait de restaurer la capacité de former des mémoires à long terme. Une autre entre les aires de Broca et de Wernicke restaurerait les fonctions langagières. Une autre enfin dans le cortex préfrontal faciliterait les opérations, il est vrai bien plus difficiles à modéliser, intéressant la prise de décision et le contrôle de leur exécution.

Les chercheurs participant à ces travaux estiment avoir commencé à « casser » le code de communication interne du cerveau. Il ne s'agit pas, répétons-le, d'identifier les réseaux neuronaux reliant les aires cérébrales entre elles, ou avec d'autres parties du corps. Cet inventaire est, dans l'ensemble, déjà réalisé. Il s'agit de comprendre les connaissances, autrement dit les contenus de sens que transportent ces cerveaux, le cas échéant en utilisant des langages sociaux préalablement acquis. Ceci afin de communiquer directement avec eux, ou leur permettre de communiquer les uns avec les autres via des prothèses.

Un projet dit Restoring Active Memory (RAM) financé par la Darpa, l'Agence de recherche du Pentagone, fait actuellement l'objet d'appel à propositions et à contributions extérieures. Il devrait permettre d'améliorer les connaissances concernant les divers thèmes évoqués ici. Les militaires blessés pourront en bénéficier, mais il est vraisemblable que d'autres applications, couvertes par le secret défense, seront aussi développées. Il s'agit en effet d'un sujet qui sera de plus en plus sensible à l'avenir.

Pour en savoir plus
* Sur l'ensemble du sujet, voir l'article de Sally Adee, « The memory fix », Newscientist, 7 juin 2014
* Sur l'expérience concernant les rats, voir Journal of Neural Engineering, vol 10, p 066013).(accès soumis à conditions)

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