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Le cerveau humain est-il un ordinateur biologique ?

Le cerveau humain est-il un ordinateur biologique ?

Du 14 au 20 mars 2022 est la Semaine de sensibilisation au cerveau, une campagne mondiale annuelle visant à renforcer le soutien du public à la science du cerveau. La Brain Awareness Week a été fondée par la Dana Alliance for Brain Initiatives (DABI) et l’European Dana Alliance for the Brain (EDAB). Le but de cette initiative est d’encourager l’enthousiasme des gens à résoudre les nombreux mystères du cerveau humain. L’un de ces mystères non résolus est de savoir comment notre cerveau, l’organe électrique principal du corps humain, gère réellement son activité électrique, et comment il fait ce travail avec une efficacité si remarquable.

Électriquement, le cerveau est encore une boîte noire. Nous envoyons des signaux électriques et nous recevons des signaux électriques, mais ce que cela signifie exactement est ouvert à de nombreuses interprétations et à une controverse intense. Mais si on ne regarde que la consommation énergétique du cerveau, on doit conclure que le cerveau humain est très « vert ». Le cerveau humain adulte fonctionne en continu, qu’il soit éveillé ou endormi, avec seulement environ 12 watts de puissance. À titre de comparaison, un ordinateur de bureau typique consomme environ 175 watts et un ordinateur portable consomme environ 60 watts. Et la source d’énergie du cerveau est renouvelable ; est l’énergie solaire stockée dans les aliments. Si le cerveau humain était un ordinateur, ce serait l’ordinateur le plus vert sur Terre.

La base de la verdeur du cerveau est son efficacité de calcul ultra-élevée ; c’est-à-dire qu’il peut générer une énorme quantité de sortie de calcul pour le très peu d’énergie qu’il consomme. Des études ont montré que le cerveau a une efficacité de puissance de calcul supérieure à celle des ordinateurs électroniques par des ordres de grandeur. Cela a conduit à des efforts pour essayer de concevoir des architectures informatiques pour mieux imiter le cerveau. L’idée est que si les circuits informatiques devenaient plus ressemblant à un cerveau, les besoins en énergie des ordinateurs diminueraient, ce qui se traduirait par des avantages pratiques tels que des batteries plus petites et des temps plus longs entre les charges.

Comment est née la haute efficacité de calcul du cerveau ? Comme je l’explique dans mon livre, Spark : La vie de l’électricité et l’électricité de la vie, certains soutiennent que c’était le résultat de pressions évolutives qui ont favorisé les individus avec les plus hautes efficacités neurologiques. Certains biologistes évolutionnistes ont même soutenu que l’évolution chez les animaux supérieurs a été largement motivée par la sélection naturelle pour l’efficacité neurologique au niveau du neurone. Ainsi, en imitant les systèmes nerveux d’organismes supérieurs dans notre conception électronique d’ordinateurs, nous pourrions exploiter des stratégies de conception qui ont déjà résisté à des millions d’années de recherche naturelle. Mais en dehors des applications pratiques de la science du cerveau aux ordinateurs, les tentatives de développement d’électronique qui émulent les circuits cérébraux peuvent conduire à une meilleure compréhension du fonctionnement réel du cerveau lui-même, à son niveau le plus fondamental.

Cependant, cette vision du cerveau comme un supercalculateur vert n’est pas sans critique. Certains prétendent qu’il existe de sérieuses limites à ce que nous pouvons apprendre sur le cerveau uniquement en assimilant ses composants aux composants de l’ordinateur. Ils disent que la véritable compréhension de la nature électrique du cerveau ne peut être obtenue qu’en étudiant l’activité électrique du cerveau dans son ensemble. Ils affirment que réduire le cerveau à l’état d’ordinateur est une grande injustice pour le cerveau et ne permet finalement pas d’obtenir une véritable vision, car une telle approche ne peut pas voir la forêt à la place des arbres. Par conséquent, ils préconisent des approches complémentaires à grande échelle, affirmant que de telles approches sont essentielles pour comprendre le fonctionnement du cerveau dans son ensemble.

Certains scientifiques du cerveau sont encore plus hostiles à la métaphore du cerveau en tant qu’ordinateur. Ils disent que la métaphore a longtemps perdu son utilité et nous retient maintenant. Nous retient parce que le modèle informatique du cerveau ignore ce qu’on appelle propriétés émergentes— les propriétés qui surviennent lorsqu’un système fonctionne et qui ne peuvent pas être prédites simplement en étudiant ses composants. Ils soutiennent que les choses que nous voulons le plus savoir sur le fonctionnement du cerveau, telles que le mécanisme de la conscience et la nature du sommeil, sont des propriétés émergentes et donc inaccessibles pour nous tant que nous continuons à essayer de comprendre le cerveau en termes de composants. ordinateurs correspondants. Ce groupe de neuroscientifiques croit généralement que les informations sur le cerveau seront obtenues par des études comportementales, et non par comparaison avec des ordinateurs.

Cette critique du modèle informatique du cerveau existe depuis longtemps. Dès 1951, le neuroscientifique Karl Lashley dénonçait l’utilisation de toute métaphore du cerveau basée sur la machine. Lashley a dit :

Descartes a été impressionné par les figures hydrauliques des jardins royaux et a développé une théorie hydraulique de l’action cérébrale. Depuis lors, nous avons eu des théories du téléphone, des théories des champs électriques, et maintenant des théories basées sur les machines informatiques… Nous sommes plus susceptibles de découvrir le fonctionnement du cerveau en étudiant le cerveau lui-même et les phénomènes comportementaux qu’en nous livrant à des analogies physiques invraisemblables.

C’est un sentiment commun parmi les ennemis d’aujourd’hui de la métaphore informatique du cerveau. En particulier, ils croient que l’accent mis sur l’étude de l’interaction du cerveau avec les sens, comme le font la plupart des études sur le cerveau, ignore la véritable merveille du cerveau : son contrôle du comportement. C’est le traitement et la traduction des informations sensorielles en comportements appropriés qui, selon eux, sont la clé pour comprendre le fonctionnement réel du cerveau. Malheureusement, nous savons peu de choses sur la façon dont le cerveau contrôle les comportements du corps et, disent-ils, nous n’y arriverons jamais en étudiant les détails de choses comme les circuits visuels œil-cerveau. Selon eux, on ne comprendra jamais pourquoi, quand les yeux voient des flammes, le nez sent la fumée et les oreilles entendent une alarme, les jambes font sortir le corps du bâtiment le plus vite possible. Lorsque nous aurons compris cela, nous comprendrons comment fonctionne réellement le cerveau.

Personne ne sait combien de semaines annuelles de sensibilisation au cerveau il faudra avant que nous résolvions enfin la controverse cerveau-ordinateur. Mais cela n’est pas important. Ce qui compte, c’est que les gens prennent conscience des nombreuses questions que soulèvent les sciences du cerveau et qu’ils soient suffisamment enthousiasmés par la recherche sur le cerveau pour la soutenir et la financer. Espérons que cette recherche mènera éventuellement à des remèdes pour les nombreuses maladies cérébrales différentes qui causent tant de souffrances humaines. L’American Brain Foundation estime qu’une personne sur 6 dans le monde souffre d’un trouble lié au cerveau, et il y a peu d’espoir de soulager les gens de ces maladies sans une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents par lesquels un cerveau fonctionne réellement. Nous ne pourrons peut-être pas répondre à toutes les questions sur le cerveau, mais nous pouvons certainement prendre conscience des questions les plus importantes à poser.


Timothy J. Jorgensen est professeur de radiothérapie et directeur du programme d’études supérieures en physique de la santé à l’Université de Georgetown. Il est l’auteur du livre primé Étrange lueur : l’histoire des radiations (Princeton). Il vit à Rockville, dans le Maryland. Twitter @Tim_Jorgensen