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Neurosciences : la physique au service de la modélisation du cerveau

06.02.2018

Quoi de plus complexe que le cerveau humain ? Pour mieux comprendre son fonctionnement, les neurosciences s’associent, entre autres, à des physiciens spécialistes des systèmes complexes.

Image d'un cerveau dans un champs électrique

Notre cerveau est constitué par un agencement de 170 milliards de cellules dont 90 milliards de cellules nerveuses : les neurones. Ces derniers possèdent des sortes de bras (dendrites) qui leur permettent de former des connexions entre eux, appelées synapses. Le vocabulaire qu’ils utilisent pour communiquer est composé de petites molécules chimiques, les neurotransmetteurs. Un neurone peut former de 5 à 60 000 synapses, donc communiquer avec autant d’autres neurones.

Schéma d'un neurone avec ses dendrites connectées à d'autres neurones
Schéma d'un neurone avec ses dendrites connectées à d'autres neurones
Cet enchevêtrement de neurones forme un système complexe très difficile à comprendre. Comme dans tout système complexe, le comportement global du système n’est pas la simple résultante de l’addition des comportements individuels de ses composants. Les neuroscientifiques font, depuis une quinzaine d’année, appel à d’autres disciplines pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau . Mathématiciens, physiciens, informaticiens sont ainsi sollicités pour étudier ces réseaux neuronaux. Leur expertise permet notamment de simuler des expérimentations. On parle de neurosciences computationnelles.

L’apport des physiciens aux neurosciences

Alessandro Torcini, physicien du laboratoire de physique théorique et modélisation (LPTM) est spécialisé en physique statistique et dynamique non-linéaire. A ce titre, il participe à plusieurs projets de recherche en neurosciences computationnelles. Il s’est intéressé particulièrement au chaos dans les systèmes étendus et à la dynamique des systèmes complexes, notamment aux comportements des protéines et aux réseaux de neurones. Ses compétences lui permettent de modéliser les dynamiques collectives des réseaux de neurones. Les résultats qu’il obtient en physique théorique permettent ensuite aux informaticiens de créer des modèles numériques. Ces modèles, plus simples à mettre en oeuvre que l’expérimentation, facilitent l'étude du cerveau. Par leur biais, les chercheurs se penchent, par exemple, sur les évolutions dans le temps des interactions entre neurones, ou les mécanismes de codage des informations dans le cerveau.

A l’Institut de neurobiologie de la Méditerranée à Marseille, une expérience in-vitro sur des neurones de l'hippocampe (partie du cerveau qui intervient notamment dans les mécanismes de la mémoire) a permis d’observer que la stimulation électrique d’un seul neurone du réseau permet de contrôler sa dynamique globale. Alessandro Torcini a développé un modèle de physique théorique qui a permis d’expliquer en parti ce phénomène. Ce type de modèle a également d’autres vertues, il permet de reproduire virtuellement l’expérimentation en choisissant de faire varier tel ou tel facteur. Ce qui est techniquement soit impossible, soit très incertain, sur des tissus vivants. L’association de la physique des systèmes complexes à ce type de recherches lève d’importants verrous techniques et permet à la recherche en neurosciences d’avancer plus rapidement.

De nombreuses perspectives sociétales

Le traitement d’un grand nombre de données dont disposent les neuroscientifiques va être possible. Pensons, par exemple, à tous les facteurs environnementaux qui peuvent influer sur la santé de nos cerveaux : pollutions chimiques, rayonnement, facteurs génétiques, etc. Ils pourront être appréhendés de façon globale.

Les synchronicités neuronales intervenant dans certaines maladies comme Parkinson ou l’épilepsie pourront être mieux comprises et, à terme, traitées de façon moins invasive si l’on comprend mieux la dynamique des réseaux de neurones en jeu (cf références en bas de page).

L’approche de la physique des systèmes complexes va également jouer un rôle important dans le développement des techniques d’interfaces hommes-machines et cerveau-robots (télémédecine, identification biométrique, etc) comme elle joue déjà un rôle dans la compréhension de certains phénomènes sociaux complexes et  des mouvements collectifs d’oiseaux et de poissons.

Pour aller plus loin
Page personnelle d’Alessandro Torcini
Qu’est-ce que le cerveau ?
L’ordre spontané
Sync the emerging science of spontaneous order par Steven Strogatz (Livre en anglais)
Assister au congrès InSpire sur les neurosciences computationnelles organisé par Alessandro Torcini en juin prochain

Articles scientifiques en anglais
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Sensitivity to perturbations in vivo implies high noise and suggests rate coding in cortex
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A model of desynchronizing deep brain stimulation with a demand-controlled coordinated reset of neural subpopulations.

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