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1
Neurobiologie de l’activité cérébrale• Le neurone: a le potentiel de toute cellule• Le neurone: exprime une part du potentiel• Mots de la biologie, faits biologiques.• Cerveau produit Esprit.• Cerveau et Esprit, structures différentes, liées.
Cerveau:• construction par évolution/développement/activité,• transmission sexuelle et symbolique.
Esprit:• construction par règles,• transmission symbolique.
2
Neurobiologie de la conscience?1. Attention phantasmes
2. Concepts psycho ! Mécanismes bio
3. Multiplicité des consciences
4. L’activité cérébrale en images
5. Le cadre biologique
6. Créer du sens
7. Application aux machines"???Refus du dualisme (Cerveau = substance A; Esprit = substance B):
Les états mentaux résultent de l’activité du cerveau.Ils sont objets d’étude pour les biologistes, les neurologues.
3
Les phantasmes:sa pensée se lie sur son visage
Quel Art poursaisir l’Esprit?
La littérature
La peinture
La sculpture
Les peintresprivilégient la
peinture
4
La rigueur scientifiqueDu phénomène au fait:
• Aller à «!l’essentiel!»:! les proportions! les relations
Démarche de connaissance:• Réel idéalisé (observation)
"La bonne observation?• Réductionniste (explication)
"Le bon! réductionnisme?
Objectivité + Imagination
Matière ! Réalité
Les débuts de la biomécanique
5
Les phantasmes :mettre le réel à la raison
L’âme du sujet?Le sujet est UN, malgré demultiples sollicitationsSon âme se situe donc aupoint de concours des nerfs.
Les «"raisons"»,justifient les erreurs
Le dessin est faux:nerfs optiques et auditifssont distants.
6
Les phantasmes :comprendre l’autre
malgré luiMystères du plaisir féminin:Dualité des zones érogènes!
!Un canal relie sein et uterus!
Les phantasmess’affranchissent de la
réalité
7
Les phantasmes :la force de Ma Raison
“Le rôle de la glande pinéale:Il faut nécessairement qu’il yait quelque lieu où les deuximages qui viennent par lesdeux yeux se puissentassembler en une avantqu’elles parviennent à l’âme.”
On vient de reconnaîtrele rôle des nerfs, onveut déjà expliquer
l’Esprit.
8
Les phantasmes:les délires de la Raison
Logique ! Concepts.Évolution ! Cerveau
Nos «!explications!»sont contingentes denos cultures.Notre cerveau estcontingent d’unehistoire complexe.
9
La montée des exigences• 17è siècle!: Descartes.L’organisme est une machine. Si on identifie les pièces qui le
composent, on comprend son fonctionnement.• 20è siècle: Frederick M. Toates.We are so often seduced by engineering and find it difficult to
accept that organism do not work the way we see that theymust work. Unfortunately, animals were not built assimple error-actuated control systems like thermostats.However, one cannot fully understand the phenomena …without translating them into a systems model. In otherwords, we need a better control theory than that providedby the thermostat
L’inventaire est insuffisant.Un système a d’autres propriétés que ses parties.
10
Les consciencesSujet: section commissuresinter-hémisphériques.Tâche:
Indices vus sur demi-écran.
Actions: nommer, saisir.Résultat:
Nommer, écran droit !cerveau gauche ! parole.
Saisir, écran gauche !cerveau droit ! main gauche.
Action consciente = action nommée?
11
Les consciencesSujet: section inter-hémisphérique.Tâche:Perception: Demis-visages sur demi-écran.Actions: reconnaître.Résultat:Reconnaissance par les deux hémisphères.Nommer,écran droit ! cerveau gauche ! parole.Retrouver,écran gauche ! cerveau droit ! main gauche.
Action consciente ! action nommée
Action nommée = unification des actions
12
Les consciences• La question «!unité du sujet!» est bonne.
• Il peut avoir de multiples consciences simultanées.
• La solution «!latéralisation!» cérébrale.
• La parole donne «!priorité!» à la conscience nommée
• Qu’est qui produit cette latéralisation? Usage?
• La latéralisation est-elle propre à l’Homme?
La biologie, concernée, n’a encore rien dit!
13
Imagerie cérébrale:
2- Différence additive entredeux situations
3- Cadre anatomiqueinvariant
4- Traitements informationsidentiques chez différentsindividus
5- Contributions identiques dechaque individu au signalmoyen (égalité des signaux).
Chaquehypothèse est
fausse
1-Neurones? Oui. Glie? NonLes 5 hypothèses:
14
Les tâches ne sont pas additivesTR moyens selon la tâche
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
TRsimple
TR 1cible
TR 2cibles
TR 4c,0 i
TR4c,1i
Tr 4c,2 i
TR 4c,3 i
TR m
oyen
s (m
s)
Ajouter une cible aun effet non-linéaire
Retirer une cible nerenvoie pas à l’effetdu même nombre de
cibles"
"La différence entredeux tâches n’est
pas additive.
15
Besoins Énergie: gradients ioniquesLe potentiel de «!repos!»est maintenu activement.La Na/K-ATPase pompeles ions Na+ et K+ contreleurs gradients ioniques.Il lui faut de l’énergie.Les PA altèrent lesgradients ioniques etactivent le transporteur.
Plus de PA=
plus d’énergie?
16
Besoins Énergie: la synapse
1. Synthèse médiateur
2. Exocytose
3. Endocytose
Énergie =excitation et inhibition
Terminaisons =mitochondries
17
Voie inhibitrice:cortex - noyaux cérébelleux
Cortex et noyauxsont connectéspar une seule
voie, la cellulede Purkinje quiest inhibitrice!
Transmissions?
Cortex et noyauxsont activés
18
Voie inhibitrice:GPi - thalamus
NeurobiologieGPi " (GABA) = thalamus moteur#
Transmission!!
ImagerieGPi " = circulation thalamique "
19
Prise de conscience soif
Circulation :$ cingulaire
médian (CM),postérieur (CP).% n. caudé et
VTA/SNc
Conscience Soif =gyrus cingulaire
Différence: Soif - Avant Na+Avant ArrièreCorps calleux
20
Soif maximaleDifférence: Soif max - Avant Na+
Soif accrue,activations etinactivationsplus marquées,extension CA
Conscience Soif =gyrus cingulaire
Avant ArrièreCorps calleux
Hypophyse inactivée?
21
Réseau de la Conscience
Réseau de la conscience«"veille"» calme
Éveil - anesthésie
Pont $ - Cervelet 0?
22
L’image est fascinante• Consciences «!soif!» " «!veille!»!• " «!Sperry!»
– Latéralisation perdue!– Corps calleux et commissures perdus! (axones?)
• Que se passe-t’il? Excitation + Inhibition?• Où? Structure afférente vs lieux terminaisons?• Quand? Retard >3s, durée >>1mn.
Données peu interprétables biologiquement! valeur pragmatique
23
La cellule:espaces et temps
Temps
#ms
#mn
#h
Membrane
Cytoplasme Milieuextracellulaire
Noyau
ExocytoseICa Ligands
Vm
Radeauxmembranaires
-Associations moléculaires-Diffusion-3 compartiments interactifs-Échanges avec l’extérieur
2nd messagers
Facteurs detranscription
Génome
NeurotransmetteursHormones
Cellule, système
Liaisons fortes
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L’organisme: espaces et tempsHormones
>60s
Neurotransmetteurs~0,05-3s
ICa
2nd
mes
sage
rs
Fact
eurs
de
trans
crip
tion
Gén
ome
Mem
bran
eV
m
ICa
2nd messagers
Facteurs detranscription
Génom
e
Mem
braneV
m
Réseau de systèmes. Méta-système, liaisons faibles
25
Cerveau - Esprit• Métabolisme cérébral diminue• Intelligence diminue• Décours différents
Pensées, comportementsdépendent du métabolisme ducerveau, condition nécessaire,ils ne s’y réduisent pas.
26
Le court-circuit génétique
Sexe mâle !œstrogènes
Développement sexuel du cerveau:
A B
C D
• Mâle " Femelle (A"B)• Femelle + Testosterone = Mâle (C)• Femelle + Œstrogène = Mâle (D)• Femelle + Testosterone +
Tamoxifène = Femelle
27
Le sexe, une apparence!• Sexe génétique: XY
• Sexe hormonal: Masculin(testostérone, oestrogènes, Hormoneanti-conduit de Müller).
• Morphologie!: Femme (pas d’utérus).
• Comportement!: Féminin
Adéquation
Apparence & Comportement
Pas de récepteur à la testostérone.
28
Court-circuits moléculaires
2 enzymes:– déficience hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transférase! syndrome de Lesch-Nyhan. Homme " souris!
– déficience phénylalanine hydroxylase ! retard mental!
Défaut enzymatique ! défaut comportement.Enzyme ! comportement
Des molécules aux comportements:
29
Court-circuit moléculaire: drogues
Drogues et récepteurs:Récepteur GABAa&inhibition des neurones.•Effets —
• !épilepsie•Effets +
• anxiolytiques,• anesthésiques
Des molécules aux comportements:
Drogues ! comportementcomment?
Sites allostériques !comportement
31
Court-circuit moléculaire: canaux
Dépolarisation + Glutamate = porte ET
Le canal NMDA:
Canal NMDA = logique ET ?
32
Neurone - Comportement
• TR<300 ms; Activation; appuis >1s• TR = 300 ms; Activation; appui>1s• TR = 305 ms; Activation; appui>1s• TR = 310 ms; Activation; appui>1s• TR = 320 ms; Activation; appui>1s• TR >400 ms; pas d’activation; appui<1s• TR >400 ms; pas d’activation; appui<1s
Neurone du noyau caudéTRmax<300 ms
Activité cellule ! Appuis>1s ! Activité = «"Renforcement"»
Voir simultanémentneurone et comportement
33
Analyse activité cérébrale
• Ce qui se passe? Enregistrer• Ensemble homogène? 1 neurone• Cause(s)? Expérimenter• Comprendre? Modéliser
Enregistrements neurones!
Représentations courantes
Méthode:
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Les neurones, versatiles• Neurone pyramidal (aire 4)• Effet d’une consigne.
Comment une consigne,un symbole, peut changerle lien entre une activitésensorielle et une activitémotrice?
Mode «"réflexe"», dépassé!
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Lien neurone-muscle, versatile
Relation ! pré- câblée
• Consignes: 0 ou + ou -• Muscles (A-B-C-D)• Plusieurs muscles (E)• Aucun muscle (F)
Neurone pyramidal, aire 4.
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La somatotopie, une apparence
• Correspondance cortex - mouvement• Voies cortico-spinales pré-câblées
Modèle implicite
main
pied
Muscles Motoneurones
Somatotopie (stimulation):
Anatomie = Physiologie?
37
Pas de somatotopie anatomique
• terminaisons à plusieursniveaux
• La somatotopie estphysiologique
Anatomie ! Physiologie
Situation réelle
main
pied
Muscles Motoneurones
60%
Un neurone pyramidal:
38
La commande est généralisée
Commande volontaire:• Activité sur tous les
membres.• Activité focalisée
Commande globale
Mouvement local
39
L’espace «!moteur!»
Trois ensembles interconnectés:• cortex cérébral• cervelet• ganglions de la base
Deux boucles:• Boucle cérébelleuse• Boucle ganglions de la base
Un carrefour, thalamus moteurUne «!bi-couche!» SN = SNc +SNr
Structures identifiées, dont SN
Thalamus
Cortex cérébral
CerveletPont
Motoneurones
Muscles
Noyaurouge
Noyau caudé
GPi
SNcPPTN
GPe
NST
SNr
40
Étude des structures nerveuses:notre équipe:
• Observation: hypothèse ergodique• Expérimentation: blocage transitoire• Modéliser: temps réel " temps différé
3 méthodes - équipes distinctes,incohérences des animaux, des tâches, des concepts.
Marianne Amalric; Maurice Bénita!; FrançoiseCondé; Henri Condé; Jean-françois Dormont;Fabrice Cheruel; Denise Farin; Annie Schmied;les thésards: Alain Cadoret, Stéphane Viviès, …
41
La tâche: temps de réaction simple• Stimulus: un son 10 ms• Récompense: croquette• Mouvement: lever la patte (<100ms)• Condition: TR< Max (300-400ms)• Une séance/jour, à satiété
Max
Mouvementssimilaires
répétés
42
Réflexe conditionné " réflexe• Essais: 100 à 150 à 4-8/s• Réaction à l’échec
Temps de réaction maximal récompensé
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57
Changements successifs
Tem
ps d
e ré
actio
n m
axim
al (
ms)
Chat a Chat b
TRmax % si:• Succès répétés
TRmax $ si :• TRmax<1500• Échecs répétés
Les chats contrôlent TRmax
Sujet attentif, réactif
43
Activités «!mouvement!»8 Neurones thalamus
cerveletVl
Propriétés:• Patte " Tête• Latence, 40 ms• Durée, <500 ms• Réponse !
mouvement
Latence courteSignal local
Commande?
44
Activités «!mouvement!»
Propriétés:• Corrélation Act. - TR• Coefficients élevés• Pente forte• Sommation efficace
8 Neurones thalamuscerveletVl
Latence courteActivité corrélée
Commande?
45
Rôles activités ?Trois structures
Activités• Similaires
Blocages• Différents
Vl et NR:• Les commandes
Noyau caudé:• Copie des commandes
46
Effets différés
Activité «!mouvement!» • Facultative < 3-5 mn• Nécessaire > 3-5 mn
Extinction parperte information«"mouvement"» ?
Blocage noyau caudé
2 séancesBlocages par froid:• Froid immédiat• TRs ~ normaux• Renforcements inchangés• Arrêt différé (2,5 à 5mn)
47
Activité «!récompense!»Arrivée
croquetteConsommation croquette
Renforcementsecondaire
Renforcementprimaire
Neurone PPTN
«"Renforcement"»PPTN & SNc
48
PPTN: effets différés Injection de lidocaïne dans le PPTN
Temps (s)
Tem
ps d
e ré
actio
n (m
s)
1
10
100
1000
10000
3300 3900 4500 5100 5700
12 mn 25 mnBlocage par injection:
• Effet différé.• Arrêt• Aucun trouble moteur• Frustration
Activité «!renforcement!» Facultative < 5-12 mnnécessaire > 5-12 mn
Blocage PPTN
Extinction parperte information«"renforcement"»
49
SN, deux couches de neurones
Embryologie:
cellules sensorielles /cellules motrices
SN:
cellules sensorielles' cellules motrices
superposées par leurschamps dendritiques
SNSensoriel ' MoteurRelation non-câblée
50
SNr: activité «!mouvement!»Rewarded trials
0
10
20
30
40
-400 -200 0 200 400 600 800 1000Time from CS (ms)
Act
ivity
(sp/
s)
M; Rw 13 IcM±SD;Rw; 13 IcM; Rw; 22 AcM±SD; Rw; 22 Ac
Paw up Head turn !
Non-rewarded trials
0
10
20
30
40
-400 -200 0 200 400 600 800 1000Time from CS (ms)
Act
ivity
(sp/
s)M; NRw; 13 IcM±SD; NRw; 13 IcM; NRw; 22 AcM±SD; NRw; 22 Ac
Paw up !
Propriétés:• Latence, 40 ms• Durée, <500 ms• Patte = Tête• Réponse !
mouvement ou non
Activité amont descommandes.
Sensorielle?
51
SN: effets différésSubstantia nigra and RT performance
0,1
1
10
-10 0 10 20 30 40Time (min)
RT
(s)
Blocageslidocaïne SN
3 blocages :• TRs allongés• Échecs 5 à 20%
Pratiqueirrégulière
52
Rôle SNr
• Informations «!mouvement!» et «!renforcement!»• Informations nécessaires > 3mn• Mouvement ! mouvement renforcé• Stimulus ! stimulus renforcé
Test: Apprentissage moteur?
Stimulus et Mouvement ont pris du sens,balises sur la voie de la récompense
53
Mécanismes biochimiques dans SN ?
GABA (—)
SP (+)D1+
SNc & SNrDA & D1 sur terminaisons N. caudé et NST de SNrDA & D2 sur neurones SNc
D1 & SNr = Activation (ICa")D2 & SNc = Inactivation (IK")
Le biologiste parle biologieà propos de biologie
SNrGABAa —
TkSK +
DA
DendritesSNc — D2
+ TkSPM1 +
55
Effets lents, DA?
Pre-LP activities A and I neurones
0
10
20
30
-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500
Time from LP (ms)
Freq
uenc
y (s
p/s)
LP;I; 21cLP;A; 43c
Paw upand
down
LP
DA libérée Rf:Latence longueDurée longueEffets + ! SC +Effets— ! SC—Activités LP"SC
DA & D1 ! SC+DA & D2 ! SC-
?
56
DA: Effets prolongés ?
Autocorrélations TR
-0,2-0,10
0,10,20,30,40,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Ordre
coef
ficie
nt co
rrél
atio
ns
Autocorrélations TR
-0,2-0,10
0,10,20,30,40,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Ordre
coef
ficie
nt co
rrél
atio
ns
Autocorrélations SN A U2
-0,2-0,10
0,10,20,30,40,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Ordre
coef
ficie
nt c
orré
latio
ns
Autocorrélations SN I U2
-0,2-0,10
0,10,20,30,40,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Ordre
coef
ficie
nt c
orré
latio
nss
Auto-corrélations des évènements successifs:
TRs : nonAct. SNr:
• SC+, oui• SC-, non
Auto-corrélations =
Traces DA & D1
57
Contrôles: Apprentissage?• TRs en bloc
– Première main, améliorationen 10 essais
– Deuxième main, améliorationbrève, limitée
aaa
150
175
200
225
250Essais en Série
aaa
-2
-1
0
1
2
10 20 301
1re main 2nde mainAmélioration + Transfert
! Apprentissage
apprentissage
• Comparaisons sujetsZi = (TRi - MTR)/SDTR
58
Parkinson:pas d’apprentissage moteur
Alternate SerialControls Patients
Alternate SerialRel
ativ
e in
dex
mea
n ±
t.05*
SEM
SD
unit
-,4
-,2
0
,2
,4
,6
,8
1Progressive evolution of reaction times
TRs successifsSujets sains:
ApprentissageSujets parkinsonien:Pas d’apprentissage
SNc %, DA%
apprentissage %
59
Parkinson = restaurer apprentissage
-1-,8
-,6-,4
-,2
0,2,4
,6
,81
Progressive improvementZ2
-11 -
Z12
-21 M
ean ±
t.05*
SEM
(SD
unit)
controls n=20
l-dopa n=9
untreated n=7
off-drug n=5
l-dopa+anti-DA n=13
Perte SNc = Perte ApprentissagePrise DA = Apprentissage restauré (50%)Anti-DA = détérioration
DA & D1 = Apprentissage,adopter la règle pertinente
60
Les données !!!
Ce schéma résume185 publications.
une hypothèse, larétroaction positivede SP extracellulairesur SNc.
Rétroaction positive=
apprentissageRenforcement
Mouvement
Mouvement renforcé
61
Modéliser pour comprendre
La sortie est unesuite convergente:
Si P<1,
suite convergente.Apprentissage
Si P > 1,
suite croissante.Epilepsie
P = phosphatases
La bouclepositive marche.
62
Mise en mouvement
ZR activity on successive iterations
Adjacent columns
0
5
10
15
20
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10
C11
C12
C13
C14
C15
C16
C17
(Rf=10 all columns; Mvt=53 peak value)Acquisition•Entrée «!renforcement!» active
•Entrée ! sortie, Apprentissage
ZR activity on successive iterations
Adjacent columns
-0,2
0,3
0,8
1,3
1,8
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10
C11
C12
C13
C14
C15
C16
C17
(Rf=0 all columns; Mvt= 53 peak value)Extinction
# Au départ•Entrée «!mouvement!», motif
ZR activity on successive iterations
Adjacent columns
02468
1012141618
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10
C11
C12
C13
C14
C15
C16
C17
(Rf=1 all columns; Mvt=53 peak value)Extinction
#Ensuite•Entrée «!renforcement!» inactive•L’activité en sortie s’efface, Extinction
Mvt + Rf ! Apprentissage
Mvt + Rf ! Extinction
63
Sorties & EntréesActivité en sortie en fonction des entrées
Le modèle complet.
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200 250
Entrée "renforcement"
Entrée "mouvement"
Itérations
Val
eurs
arb
itrai
res
Les entrées :• Mouvement• Renforcement
La sortie:Activités SNr
•Pic•Base
CombinaisonMvt + Rft
!Carte
mouvementrenforcé
64
La création du sens
• Un stimulus devient commande pour un succès• Ceci implique plusieurs cellules.• La cascade biochimique, une boucle positive.• La boucle relie:
– information «!mouvement!»– information «!renforcement!».
La nouvelle information:«"mouvement renforcé"»
65
Conscience pour l’ingénieur
• Situation : régulation en ambiance complexe• Critère: un résultat• Algorithme: modifier les commandes et
adopter celle qui donne le résultat attendu
Causes d’échec >> Conditions de réussites!
Le succès est un meilleur critère que l’échec
66
Réguler une pompe à chaleur• Elle peut : ne rien faire, chauffer ou refroidir.• Un thermostat conduit le courant ou non• Un thermostat peut mettre en marche ou arrêter la pompe à chaleur. Il
ne peut inverser son fonctionnement• Il faut un processeur a trois états. Soit Tc, la T de consigne; Tin, la T
intérieure; Text, la T extérieure:– Mode «!inactif!», Tint -Tc <(5°C (– Mode «!chauffage!»: Text < Tc-5°C– Mode «!refroidissement!»: Text > Tc+5°C.
Le système doit avoir«"conscience"» de la consigne
et de son environnementpour savoir changer de règle.
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