sciences

Le fossé qui sépare les laboratoires de la réalité doit être remplacé par un pont, de peur qu'à la fin de l'ère de la physique, nous nous rendions compte qu'il n'y a plus rien sous nos pieds.

Auteur: Sarewitz Daniel

Info: Frontiers of Illusion. Chapter 1 (p. 15) Temple University Press. Philadelphia, Pennsylvania, USA. Chapitre 1 (p. 15) Temple University Press. Philadelphie, Pennsylvanie, États-Unis. 1996

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cosmos miroir

Le cerveau humain ressemble étrangement à l'Univers

Des chercheurs ont comparé la structure de l'Univers à celle du réseau neuronal. Proportions, fluctuations de la matière, connexions entre les étoiles et les neurones... Ils ont constaté des similitudes troublantes entre les deux... malgré des échelles distantes d'années-lumière !

Comparer le cerveau humain, qui mesure en moyenne 1.500 cm3 et pèse 1,4 kg, avec l'Univers, estimé à plus de 880.000 milliards de milliards de kilomètres de diamètre, peut sembler quelque peu incongru. C'est pourtant l'exercice auquel se sont essayés deux chercheurs dans un article publié dans la revue Frontiers in Physics. Aussi étonnant que cela puisse paraître, ils ont découvert des similitudes troublantes entre les deux structures. "Bien que les interactions physiques dans les deux systèmes soient complètement différentes, leur observation au moyen de techniques microscopiques et télescopiques permet de saisir une morphologie analogue fascinante, au point qu'il a souvent été noté que la toile cosmique et la toile des neurones se ressemblent", écrivent l'astrophysicien Franco Vazza et le neurobiologiste Alberto Feletti.

70 % de masse "inutile"

Les similitudes sont d'abord notables au niveau des proportions. Le cerveau contient 86 milliards de neurones, reliés par des millions de milliards de synapses. L'Univers observable est formé d'au moins 100 milliards de galaxies, arrangées elles aussi en longs filaments et en nœuds. Dans les deux systèmes, 75 % de la masse a un rôle "passif" : l'eau dans le cas du cerveau, l’énergie noire dans le cas de l’Univers.

Partant de ce constat troublant, les chercheurs ont poursuivi leur comparaison plus loin, en cherchant à observer comment les fluctuations de la matière se dispersent à des échelles aussi différentes. Ils ont pour cela fait appel à une analyse de la densité spectrale de puissance, une technique souvent utilisée en cosmologie pour étudier la distribution spatiale des galaxies. "Notre analyse montre que la distribution des fluctuations au sein du réseau neuronal du cervelet sur une échelle allant de 1 micromètre à 0,1 millimètre suit la même progression de la distribution de la matière dans la toile cosmique mais, bien sûr, à une échelle plus grande qui va de 5 millions à 500 millions d'années-lumière", atteste Franco Vazza.

(Sur l'article original on voit deux photos, une section du cervelet grossie 40x à côté d'une simulation cosmologique de l’Univers - portion de 300 millions d’années - produite par l'Université de Bologne.)

Deux réseaux qui partagent les mêmes structures de connexions

Les deux chercheurs ont également comparé d'autres paramètres, comme le nombre de connexions dans chaque nœud et la tendance à recouper plusieurs connexions dans les nœuds centraux du système. "Une fois de plus, les paramètres structurels ont permis d'identifier des niveaux de concordance inattendus", révèle Alberto Feletti. Les chercheurs se sont aussi amusés à quantifier les informations stockables par chaque système. Sachant que chaque synapse peut contenir 4,7 bits de données, on estime que le cerveau humain est capable de stocker 2,5 petabytes de mémoire. Pour l'Univers, il a été calculé qu'il faudrait 4,3 petabytes de mémoire pour stocker toutes les informations des structures cosmiques observables. Là encore, les ordres de grandeur sont les mêmes.

"Il est probable que la connectivité au sein des deux réseaux évolue selon des principes physiques similaires, malgré la différence frappante et évidente entre les puissances physiques régulant les galaxies et les neurones", souligne Alberto Feletti. Bien entendu, il existe aussi des différences notoires entre les deux systèmes. On sait par exemple que l'Univers est en expansion et se réchauffe, ce qui n'est (heureusement) pas le cas du cerveau. De plus, cette comparaison est basée sur des simplifications majeures. Il n'en reste pas moins que l'expression "avoir la tête dans les étoiles" prend tout son sens à la lecture de cette étude.

Auteur: Internet

Info: Céline Deluzarche, journaliste, https://www.futura-sciences.com, le 19/11/2020

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intrications

Les scientifiques qui étudient le cerveau ont découvert que cet organe opère simultanément jusqu'à 11 dimensions différentes, créant des structures multivers qui présentent "un monde que nous n'avions jamais imaginé".

En utilisant un système mathématique avancé, les chercheurs ont pu montrer des structures architecturales qui apparaissent lorsque le cerveau doit traiter l'information, avant de se désintégrer et disparaitre. Leurs résultats, publiés dans la revue Frontiers in Computational Neuroscience, révèlent les processus extrêmement complexes impliqués dans la création de structures neuronales, ce qui pourrait aider à expliquer pourquoi le cerveau est si difficile à comprendre et à associer sa structure à sa fonction.

L'équipe, dirigée par des scientifiques de l'EPFL en Suisse, effectuait des recherches dans le cadre du projet Blue Brain, une initiative visant à créer une reconstruction biologiquement détaillée du cerveau humain. En travaillant d'abord sur les cerveaux des rongeurs, l'équipe a utilisé des simulations de supercalculateurs pour étudier les interactions complexes dans différentes de ses régions. Dans cette dernière étude, les chercheurs ont pu approfondir les structures du réseau neuronal du cerveau en utilisant la topologie algébrique - un système utilisé pour décrire des réseaux avec des espaces et des structures en constante évolution.

C'est la première fois que cette branche des mathématiques est appliquée aux neurosciences. "La topologie algébrique est comme un télescope et un microscope en même temps. Elle peut zoomer dans les réseaux pour trouver des structures cachées - les arbres dans la forêt - et voir les espaces vides - les clairières - tout en même temps", précise Kathryn Hess. Dans l'étude, les chercheurs ont effectué de multiples tests sur le tissu cérébral virtuel pour découvrir des structures cérébrales qui n'apparaitraient jamais par hasard. Ils ont ensuite effectué les mêmes expériences sur des tissus cérébraux réels afin de confirmer leurs résultats virtuels. Ils ont découvert que lorsqu'on présente un stimulus au tissu virtuel, des groupes de neurones forment une clique. Chaque neurone se connecte à tous les autres neurones de manière très spécifique pour produire un objet géométrique précis. Plus il y a de neurones dans une clique, plus les dimensions sont élevées. Dans certains cas, les chercheurs ont découvert des cliques avec jusqu'à 11 dimensions différentes.

Les structures s'assemblent en des enceintes qui forment des trous à haute dimension que l'équipe a nommé cavités. Une fois que le cerveau a traité l'information, la clique et la cavité disparaissent.

Multivers du cerveau. "L'apparition de ces cavités high-dimensionnelles lorsque le cerveau traite des informations signifie que les neurones du réseau réagissent aux stimuli d'une manière extrêmement organisée", a déclaré l'un des chercheurs, Ran Levi. "C'est comme si le cerveau réagit à un stimulus en construisant puis en rasant une tour de blocs multidimensionnels, en commençant par des tiges (1D), des planches (2D), puis des cubes (3D), puis des géométries plus complexes avec 4D, 5D, etc. La progression de l'activité à travers le cerveau ressemble à un château de sable multidimensionnel qui se matérialise hors du sable puis se désintègre ", a-t-il déclaré. Henry Markram, directeur de Blue Brain Project, avance que les résultats pourraient aider à expliquer pourquoi le cerveau est si difficile à comprendre. "Les mathématiques appliquées habituellement aux réseaux d'étude ne peuvent pas détecter les structures et les espaces à grande dimension que nous voyons maintenant clairement", a-t-il déclaré. "Nous avons découvert un monde que nous n'avions jamais imaginé. Il y a des dizaines de millions de ces objets, même dans un petit segment du cerveau, à travers sept dimensions. Dans certains réseaux, nous avons même trouvé des structures allant jusqu'à onze dimensions". Les résultats indiquent que le cerveau traite les stimuli en créant ces cliques et cavités complexes, de sorte que la prochaine étape sera de savoir si notre capacité à effectuer des tâches compliquées nécessite ou non la création de ces structures multidimensionnelles.

Dans une interview par courrier électronique avec Newsweek, Hess dit que la découverte nous rapproche de la compréhension d' "un des mystères fondamentaux de la neuroscience: le lien entre la structure du cerveau et la façon dont elle traite l'information". En utilisant la topologie algébrique l'équipe a pu découvrir "la structure hautement organisée cachée dans les modèles de tir apparemment chaotiques des neurones, une structure qui était invisible jusqu'à ce que nous l'examinions avec ce filtre mathématique particulier". Hess dit que les résultats suggèrent que lorsque nous examinons l'activité du cerveau avec des représentations à faible dimension, nous n'observons que l'activité réelle qui se déroule. Cela signifie que nous pouvons voir des informations, mais pas l'image complète. "Alors, dans un sens, nos découvertes peuvent expliquer pourquoi il a été si difficile de comprendre la relation entre la structure et la fonction du cerveau", explique-t-elle.  

"Le schéma de réponse stéréotypique que nous avons découvert indique que le circuit répond toujours aux stimuli en construisant une séquence de représentations géométriques commençant dans des dimensions faibles et en ajoutant des dimensions progressivement plus élevées, jusqu'à ce que l'accumulation s'arrête soudainement et s'effondre: une signature mathématique pour les réactions à stimuli. "Pour le travail futur, nous avons l'intention d'étudier le rôle de la plasticité - le renforcement et l'affaiblissement des connexions en réponse aux stimuli - avec les outils de topologie algébrique. La plasticité est fondamentale pour le processus mystérieux d'apprentissage, et nous espérons que nous pourrons donner un nouvel aperçu de ce phénomène", a-t-elle ajouté.

Auteur: Internet

Info: https://www.newsweek.com/brain-structure-hidden-architecture-multiverse-dimensions-how-brain-works-6243006/12/17 by Hannah Osborne - Ici FLP regrette sa volonté réitérée de ne pas insérer d'images dans les textes. Elles sont ici très parlantes.

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