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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.

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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

24

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.

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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

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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

30

Court-circuit moléculaire: récepteursŒstrogène = anesthésique

Sexualité féminine ! anesthésie

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:

34

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

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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"»

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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 +

54

DA ' ComportementDA ' MouvementDA $ avec mouvementDA $ SN > n. caudé

Action de DA?

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"»

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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.