L'objectif de ce module est de vous familiariser avec "L'esprit matérialiste - les ingrédients de votre cerveau". Vous vous familiariserez avec la beauté et la variété des neurones - les éléments élémentaires du cerveau. Nous mettrons en lumière une grande controverse entre deux grands anatomistes (Ramon y Cajal et Camillo Golgi) qui ont tous deux reçu le prix Nobel en 1906. Ils se demandaient si le neurone était une unité distincte et "indépendante" (comme d'autres cellules dans d'autres tissus) ou s'il faisait partie d'un continuum Nous examinerons ensuite le neurone en tant que dispositif d'entrée-sortie et mettrons en évidence une propriété essentielle du système nerveux, à savoir que les neurones se connectent les uns aux autres par l'intermédiaire d'un merveilleux dispositif appelé "synapse".

Dans ce module, nous aborderons le thème du "cerveau électrisant - signaux électriques passifs". Nous montrerons que les neurones sont des dispositifs électriques et nous apprendrons ce qui permet aux neurones de devenir "électrisants". Nous ne décrirons ici que les propriétés électriques passives (par opposition aux propriétés actives) des neurones. Nous montrerons qu'à l'état de repos, la différence de potentiel électrique à travers la membrane de la cellule est toujours négative à l'intérieur de la cellule ("potentiel de repos") ; nous montrerons ensuite que la membrane se comporte comme un circuit électrique (résistance-capacité) RC et mettrons en évidence la notion de "constante de temps de la membrane" et, par conséquent, la capacité des neurones à résumer (dans le temps) des entrées (synaptiques) successives ("mémoire électrique") - un mécanisme fondamental utilisé par le cerveau. Nous montrerons également que lorsque la synapse est activée, elle génère un signal électrique analogique ("le potentiel post-synaptique", PSP) dans la cellule réceptrice ("post-synaptique"). Il est intéressant de noter qu'il existe deux types de synapses dans le cerveau : les synapses "excitatrices" et les synapses "inhibitrices". Nous verrons comment ces deux signaux opposés interagissent dans le "neurone" récepteur. Ce module est plus technique que les deux premières leçons, plus descriptives ; nous encourageons ceux d'entre vous qui ne sont pas familiers avec l'électricité de base (résistance, capacité, loi d'Ohms et loi de Kirchoff) à se renseigner à ce sujet dans les liens sources de la leçon de cette semaine.

Dans ce module, nous abordons le thème "Electrifier les cerveaux - les pointes électriques actives". Dans le module précédent, nous avons appris que : 1 - que les neurones sont des dispositifs électriques, 2 - que la membrane se comporte comme un circuit RC, 3 - que les synapses fonctionnent en ouvrant une nouvelle conductance transmembranaire reliée à une batterie. Dans le présent module, nous aborderons les aspects électriques actifs des neurones. Les entrées synaptiques sont les sources élémentaires (d'entrée) des neurones et, typiquement, plusieurs d'entre elles (excitatrices) doivent s'additionner ("sommation temporelle") pour générer un signal de sortie hautement ("tout ou rien") - le fameux pic (ou "potentiel d'action"). Selon notre compréhension actuelle, les informations sensorielles, motrices, émotionnelles, etc. sont représentées par un ensemble particulier de neurones qui "déclenchent" ces pointes. Il n'y a donc pas de films ou de musique dans votre cerveau, mais seulement des pics représentant (codant pour) ces films et cette musique. Nous nous concentrerons sur les mécanismes membranaires qui sous-tendent la génération de la pointe et en particulier sur le modèle de Hodgkin & Huxley pour la pointe qui est probablement le modèle le plus fondamental et le plus beau des neurosciences. Hodgkin & Huxley ont reçu le prix Nobel en 1963.

Ce module traite des neurones en tant que dispositifs plastiques/changeants. L'aspect le plus unique du tissu nerveux est probablement son étonnante capacité à changer constamment et de manière adaptative en réponse à un environnement difficile ; cette capacité nous permet d'apprendre et d'emmagasiner des souvenirs. Nous commencerons par une brève discussion sur la notion d'apprentissage dans le cerveau, puis nous mettrons en évidence les différents mécanismes qui favorisent l'apprentissage et la mémoire - en introduisant le terme de "plasticité neuronale". En particulier la "plasticité fonctionnelle", qui modifie l'efficacité des synapses existantes, et la "plasticité structurelle", qui associe les processus d'apprentissage et de mémorisation à des changements anatomiques - la formation de nouvelles connexions synaptiques - et à la neurogenèse - la naissance de nouvelles cellules nerveuses (oui, également dans le cerveau adulte). Un modèle mathématique qui saisit certains aspects de la plasticité fonctionnelle sera également présenté, ainsi que plusieurs nouvelles découvertes expérimentales passionnantes liées à la "plasticité neuronale".

Vous êtes maintenant bien équipé pour plonger avec succès dans le thème de ce module - "Théorie des câbles et calculs dendritiques". Nous sommes prêts à faire un "saut" conceptuel et à discuter d'un sujet fascinant. Il s'agit de la manière dont la machinerie anatomique et électrique des neurones leur confère des capacités de calcul. Calculer l'orientation d'une ligne et la direction d'un mouvement (dans le système visuel), ou la localisation ou l'intensité d'un son (dans le système auditif) et planifier un mouvement pour saisir une tasse de café (dans le système moteur), sont autant de calculs que notre cerveau effectue sans effort. La réussite de ces calculs est absolument cruciale pour notre survie. Hubel et Wiesel (lauréats du prix Nobel en 1981) ont montré que les cellules nerveuses du cortex visuel du chat sont sensibles à l'orientation des lignes dans le monde visuel (sélectivité de l'orientation). Ainsi, lorsque vous observez le monde qui vous entoure, vous pouvez "utiliser" ces cellules pour identifier l'angle d'un arbre (vertical) et des yeux qui vous regardent (horizontal). Mais comment les cellules nerveuses (et le cerveau dans son ensemble) effectuent-elles ces calculs ? Dans les années 1960, Wilfrid Rall a considéré les neurones comme des éléments électriquement distribués (plutôt que comme un élément "ponctuel") et, par conséquent, il a développé la "théorie du câble pour les dendrites" - mettant en évidence les principes qui régissent la propagation/l'atténuation des potentiels synaptiques (l'entrée de la cellule) depuis leur site d'origine dendritique jusqu'à la région du soma/axon (la sortie). Nous verrons que les propriétés de câblage des dendrites confèrent aux neurones des capacités de calcul (par exemple, les neurones qui calculent la direction du mouvement). Nous discuterons de quelques idées théoriques anciennes et plus récentes sur la manière dont le "matériel neuronal" - synapses, dendrites, axones et les signaux qu'ils transportent - peut mettre en œuvre des calculs élémentaires. Nous terminerons par quelques avancées technologiques récentes et fantastiques qui nous ont permis, pour la première fois, de valider expérimentalement certaines de ces idées théoriques. Nous espérons que vous apprécierez ce "saut" conceptuel entre les propriétés biophysiques des neurones et la mise en évidence de leurs fonctions informatiques.

Ce module est basé sur ce que vous avez appris dans les modules 3 à 6 : comment les cellules individuelles fonctionnent, comment elles sont connectées les unes aux autres par des synapses (plastiques) et comment elles peuvent effectuer des calculs spécifiques. Ici, nous connectons réellement un réseau de neurones (en utilisant le "super ordinateur Blue Machine") afin de pouvoir simuler mathématiquement l'activité d'un grand réseau (le "Blue Brain Project" BBP centré sur l'EPFL, Lausanne, Suisse). Nous savons comment simuler un neurone unique (modèle de Hodgkin et Huxley) et comment simuler les synapses et les câbles dendritiques (modèle de Wilfrid Rall), de sorte que nous pouvons connecter des modèles de neurones et construire des réseaux réalistes dans l'ordinateur. Nous avons commencé par simuler le néocortex des mammifères, une structure relativement récente dans l'évolution (200 millions d'années). Dans chaque mm cube du néocortex (par exemple, du rat), il y a environ 100 000 cellules, 4 km de fils (dendrites et axones) et environ 100 millions de synapses. Nous pouvons aujourd'hui intégrer des données expérimentales (anatomiques et physiologiques) et des méthodes mathématiques, et nous approcher de la simulation de l'activité électrique et synaptique dans plusieurs mm cubes du néocortex. Nous en apprendrons davantage sur le néocortex, notamment sur les types de neurones qui le composent, et sur la manière de simuler un circuit neuronal aussi gigantesque. Nous discuterons ensuite des enseignements que nous pouvons en tirer et des objectifs que nous poursuivons. Nous terminerons en décrivant le projet phare de l'UE récemment annoncé, le "Human Brain Project" (HBP). Le BBP a servi d'amorce au HBP, mais ce dernier est beaucoup plus vaste et encore plus ambitieux. Il vise à développer de nouvelles approches pour le traitement des maladies cérébrales (dont le besoin est si urgent) et à faire progresser l'avenir des neurosciences ainsi que de l'informatique et de la robotique inspirées par le cerveau.

Au cours de ce module, nous aurons une conférence spéciale donnée par le professeur Israel Nelken de l'Université hébraïque de Jérusalem, qui traitera de "Perception, action, cognition et émotions". Jusqu'à présent, nous nous sommes principalement concentrés sur la fonction des cellules individuelles et des petits réseaux. Le module n° 8 se penche sur les calculs de plus haut niveau et notamment sur "l'histoire du son". Le système auditif convertit le son en signaux électriques. Les cellules ciliées, la membrane basilaire, la cochlée et d'autres encore sont autant d'outils que le cerveau utilise pour traduire le monde extérieur en activité neuronale. L'étape suivante est la perception, c'est-à-dire le traitement de l'information sensorielle en une représentation utile. L'utilisation d'indices binauraux pour la localisation des sons en est un bel exemple. La perception conduit l'organisme à agir - le cerveau prédit le monde et calcule l'action qui produira une récompense maximale et évitera la punition. Que se passe-t-il en cas de surprise ? Ici, un calcul de plus haut niveau est nécessaire. Nous terminerons la conférence par les émotions : qu'est-ce que c'est, comment sont-elles représentées dans le cerveau et comment affectent-elles nos actions ?

Et puis il y a les questions fascinantes de "haut niveau" que les chercheurs sur le cerveau n'ont osé poser que récemment. Avons-nous le libre arbitre ? Et qu'est-ce que ce sentiment subjectif de conscience ? Ces vieilles questions, auparavant traitées uniquement dans le cadre des sciences humaines et sociales, ont récemment reçu une nouvelle perspective dans le cadre de la recherche moderne sur le cerveau. La nouvelle compréhension qui en découle pose de nouvelles questions éthiques ("neuroéthique") - par exemple, pourrions-nous lire les pensées directement dans le cerveau ("polygraphes cérébraux") ? Cela soulève la question de savoir dans quelle mesure nos cerveaux respectifs sont similaires en termes de représentation et de codage d'informations spécifiques (par exemple, un visage que nous voyons) ? Pourrait-on utiliser des scanners/sondes cérébrales pour communiquer avec le cerveau des personnes dans le coma ? Est-il possible de stimuler électriquement le cerveau afin d'améliorer nos capacités ("améliorer la cognition") ? Ces questions et d'autres vous attendent dans ce module.

En peu de temps, vous avez maîtrisé une grande quantité de matériel et nous espérons que vous avez apprécié cette expérience d'apprentissage du cerveau en utilisant ses capacités plastiques uniques. Nous tenons à vous remercier pour votre participation active, pour nous avoir permis de nous améliorer au cours de la formation et pour les nombreux compliments que nous avons reçus de la part de beaucoup d'entre vous.