- Crédits ECTS : 1
- Nombre d'heures : 24
- Langue du cours : français
- Horaires : jeudis matins de 8h à 10h
- Dates : 17, 24 sept – 1, 8, 15, 22 oct – 5, 12, 26 nov – 3, 10, 17 déc
- Lieu : Amphi Siméon-Denis Poisson
- Code catalogue :
HSS512F
- Effectif maximum : 24 élèves
- Responsables :
Yves Frégnac et
René Doursat
- Emails : yves,fregnac O unic,cnrs-gif,fr / rene,doursat O polytechnique,edu
- Téléphones : +33 (0)1 69 82 34 15 / +33 (0)1 42 17 40 32
La biologie est bouleversée par les progrès de la génétique
et de l'informatique. Demain, grâce au décryptage du réseau complet
de gènes régulant un être vivant, tout paraîtra modifiable, de la
couleur des yeux jusqu'au comportement. Demain, grâce aux avancées
dans le domaine des interfaces cerveau-machine, un simple
« décodage » de la pensée à partir de l'activité cérébrale suffira
à mouvoir des bras articulés, déclencher des actions avant même que
les muscles de notre corps ne soient mobilisés.
Ces nouveaux
pouvoirs de la biologie remettront en cause l'immuabilité du monde
vivant qui nous entoure et des modes d'interaction entre agents
pensants. Faut-il craindre ou espérer qu'en touchant seulement
quelques gènes, on pourra, à volonté, transformer les capacités
cognitives d'un être vivant? L'homme va-t-il demain posséder le
pouvoir de réparer ou même « reprogrammer » son cerveau et la
communication qu'il entretient avec l'environnement?
Ces dernières années, les neurosciences cognitives ont
considérablement progressé sur la base des résultats de la
neurobiologie et des techniques d'exploration multi-échelle comme
la neuro-imagerie anatomique et fonctionnelle.
Le séminaire
Cerveau et cognition vise à faire le point sur ces progrès.
Quelles techniques et quels paramètres psychophysiques sont
aujourd'hui accessibles pour démontrer la nature organique de la
perception, du langage, du raisonnement ou de l'action ? À quel
point ces paramètres permettent-ils d'intégrer, en la formalisant,
une fonction cognitive ? Comment la modélisation de processus
cognitifs comme la perception, l'apprentissage, la mémoire ou même
la conscience, prend-elle en compte les différents niveaux
d'intégration, de la molécule à l'individu ?
La matérialisation
neurobiologique du mental diffuse dans les sciences humaines et le
tissu social en apportant un jour nouveau sur certaines
problématiques traditionnelles de la psychologie et de la
philosophie. Elle a enfin des applications en santé humaine, en
informatique, en automatique et robotique et, même, en modélisation
logique et mathématique. À ce titre, les neurosciences deviennent
une composante des sciences de l'ingénieur.
Organisé cette année par le département d'Humanités et Sciences
Sociales, le séminaire illustrera cette tendance en s'appuyant sur
l'interdisciplinarité entre humanités et sciences sociales,
neurosciences, informatique et physique. Au cours d'une série de
conférences, il abordera les thèmes généraux suivants :
- dynamique des systèmes complexes en biologie
- imagerie multi-échelle (du niveau subcellulaire au cerveau humain)
- architectures de calcul inspirées du vivant et perception sensorielle
- interface cerveau-machine
- fantômes de l'esprit et neuropsychologie de l'action
- mécanismes cérébraux du « beau » et du « vrai »
- langage et cognition
- neuroéconométrie
Le séminaire comprend 12 séances, où chaque séance est organisée
autour d'une conférence donnée par un scientifique invité, qui peut
être aussi bien issu de la recherche fondamentale que du
monde médical ou industriel. Les orateurs invités cette année sont
des chercheurs issus de diverses institutions et laboratoires, tels que :
- Centre de Recherche en Epistémologie Appliquée
(CREA),
Ecole Polytechnique et CNRS
- Institut des Systèmes Complexes, Paris Ile-de-France
(ISC-PIF)
- Départements de
Physique
et d'Etudes Cognitives
(DEC)
de l'Ecole Normale Supérieure
- Département de
Neurosciences
de l'Institut Pasteur
- Laboratoires de Neuroimagerie à
Neurospin, CEA
- Laboratoire de Neurophysique et Physiologie
(LNP),
Université Paris Descartes
- Institut de Neurobiologie Alfred Fessard
(INAF),
CNRS Gif-sur-Yvette
- Unité Dynamique Cérébrale et Cognition
(U821), Inserm, Lyon
- Unité Fonction du Lobe Frontal
(U960), Inserm, Ecole Normale Supérieure
Il est coordonné par
Yves Frégnac
(Professeur à l'X et Directeur de l'INAF) et
René Doursat
(Directeur de l'ISC-PIF et chercheur au CREA).
Les élèves sont appelés à participer au séminaire en présentant à leur tour des
exposés sur des questions susceptibles d'illustrer ou compléter les conférences.
Pour cela, ils doivent
- former des groupes de travail :
- en tri- ou quadrinôme, suivant les effectifs
- en remplissant les calendriers Doodle communiqués par email ;
- choisir leurs thèmes :
- chaque groupe choisit une séance et 2 (deux) articles sur
les 3 proposés pour cette séance ;
- préparer leurs exposés :
- les exposés doivent durer 45mn en tout, questions non comprises,
- ils doivent être formattés en PowerPoint (ou compatible)
ou bien PDF
- ils doivent comprendre une introduction (contexte des articles,
bref état de l'art) et une conclusion (nouveauté des articles
dans ce contexte) qui encadreront la revue proprement dite des
deux articles
- les 3 ou 4 élèves du groupe peuvent se partager le travail
selon leurs préférences (sans nécessairement observer les
frontières entre articles) mais en assurant une charge et un
temps de parole équitables
- les présentations seront préparées sous la supervision et
avec les conseils du conférencier invité et des responsables
du séminaire (par email, téléphone et/ou sur rendez-vous)
- elles seront envoyées par email à ces trois personnes au plus
tard le mercredi, veille de la séance, et apportées en classe
par le groupe sur ordinateur portable ou clé USB ;
- démontrer leur capacité à
- aborder des concepts nouveaux pour eux, parfois difficiles
de premier abord pour des non-experts, au travers d'une attitude
de curiosité et d'une volonté de recherche
- structurer leur réflexion sur un sujet à caractère
scientifique ou technique, souvent pluridisciplinaire, grâce
notamment à une recherche bibliographique
- restituer leur réflexion
de manière simple et rigoureuse devant leurs camarades ;
- lire tous les articles :
- chacun doit pouvoir participer aux questions et discussions
de toutes les séances, sur la base des articles choisis et
présentés par leurs camarades.
L'évaluation du succès de ce travail et de la note finale (en concertation
entre le conférencier invité et les responsables du séminaire) se
concentrera moins sur la quantité de connaissances effectivement comprises
ou acquises que sur l'authenticité des efforts investis dans la recherche
et l'exploration de ces connaissances, ainsi que l'exposé des interrogations
qu'elles ont pu susciter.
Voici la liste potentielle des conférences et intervenants.
Elle ne suit pas nécessairement l'ordre chronologique des séances
et est sujette à modifications et réorganisations
- NIVEAU MICROSCOPIQUE : Bases moléculaires, génétiques et
cellulaires, physiologie du neurone individuel
et
:
Imagerie et nanosciences dans l'étude des cellules nerveuses
- La description des bases moléculaires de l'organisation de la synapse
est un enjeu clé pour la compréhension de la plasticité des cellules
nerveuses. De nouveaux outils issus d'un mariage heureux entre
techniques de biologie, d'optique et de nanosciences permettent
aujourd'hui de visualiser la dynamique d'acteurs importants, tels que
les récepteurs aux neurotransmetteurs, à l'échelle de molécules
individuelles au sein de neurones vivants. Dans cette présentation, nous
nous attacherons d'abord à décrire le principe de ces outils ainsi que
leur apport pratique et conceptuel. En particulier, nous discuterons
comment l'analyse du comportement de molécules uniques soulève des
questions nouvelles sur l'organisation et la dynamique d'assemblages
macromoléculaires tels que la synapse. Dans une deuxième partie, nous
nous intéresserons plus spécifiquement à la dynamique de récepteurs aux
neurotransmetteurs inhibiteurs (GABA, Glycine) dans la membrane
dendritique. Nous discuterons les mécanismes moléculaires qui
contribuent à leur localisation synaptique, en lien avec l'activité
neuronale.
:
Olfaction and life-long neurogenesis
- Neurogenesis occurs in the adult
central nervous systems of a variety of vertebrate and
non-vertebrate organisms. The roles that the new neurons
play, and the factors that influence their birth and
survival, are critical issues that are under intense
investigation. Significant progress has been made in
understanding the functions of new neurons in the olfactory
system, a pathway where neurons are added throughout life in
a wide range of species. With the adult mouse olfactory bulb
as a model, this presentation will address a series of
fundamental questions concerning the role(s) that
neurogenesis plays in the normal functioning of adult
neuronal circuits: Why does neurogenesis persist in some part
of the adult brain but not in other ones? Is it a mere
recapitulation of embryogenesis or rather a unique process
adapted to the adult forebrain? Why is it restricted,
apparently, to only few specific regions in normal
conditions? How do these regions balance the need for
plasticity with the need to maintain already functional
information processing networks? Is neurogenesis in the adult
brain a constant, restorative process, or is it flexible,
producing different numbers of neurons to certain regions
according to an animal's environmental experience? And are
new neurons in the adult brain born to perform a particular
task not possible for mature neurons, or are they generated
as flexible units to undertake whichever role their target
structure is in need of most? Together, the confluence of
data from different model systems suggests a complex
dialogue between the environment and processes controlling
neuronal birth and differentiation. This presentation will
touch on these various topics that are of broad interest to
neuroscientists not only studying developmental processes,
and mechanisms of cognitive functions but also to those
seeking to decipher how odor information is processed at
the first central relay.
- NIVEAU MESOSCOPIQUE : Neurosciences computationnelles,
électrophysiologie, neurodynamique complexe, modélisation en
réseaux
:
Le codage neuronal
- Dans ce cours, nous examinerons le
codage de l'information au niveau d'un neurone et le rôle
des concepts et techniques issus des systèmes dynamiques
dans l'analyse de ce codage.
:
Modélisation mésoscopique dans les réseaux de neurones
- Les mécanismes de la mémoire
restent une des questions ouvertes les plus fondamentales en
neurosciences. Comment un stimulus présenté à un animal
laisse-t-il une trace dans les circuits neuronaux de son
cerveau? Un stimulus présenté à un animal active un grand
nombre de neurones dans de nombreuses aires de son cerveau.
Un premier mécanisme possible pour maintenir ce stimulus en
mémoire est de maintenir l'activation d'une partie de ces
neurones après la disparition du stimulus en question. Ce
phénomène, appelé « activité persistante » ou « activité
réverbérante », est maintenant considéré comme le mécanisme
le plus plausible de la mémoire à court terme (en particulier
la mémoire de travail). Il a été observé dans un grand nombre
d'expériences chez le singe éveillé durant des tâches
impliquant une composante de mémoire à court terme. A plus
long terme, il est clair que d'autres mécanismes doivent
rentrer en jeu, les neurones ne pouvant maintenir une
activité soutenue très longtemps. Un deuxième mécanisme
possible fait donc intervenir des modifications persistantes
des connexions entre neurones – les synapses impliquant des
neurones actives par le stimulus. Ce phénomène de « plasticité
synaptique » est maintenant considéré comme le mécanisme le
plus plausible de la mémoire à long terme. Il a lui aussi été
observé dans de nombreuses expériences, in vitro ainsi que in
vivo. L'exposé parlera en détail de modèles théoriques de
réseaux neuronaux du cortex cérébral qui permettent de
comprendre les conditions dans lesquelles un réseau peut
maintenir des « réverbérations », et comment la plasticité
synaptique affecte ces réverbérations.
:
Architectures de calcul dans le cortex visuel
- Les progrès expérimentaux récents
en neurophysiologie ont permis de se faire une idée assez
précise de la façon dont les aires visuelles primaires
traitent le signal optique. Dans l'approximation linéaire,
les neurones visuels agissent localement comme des filtres
sur le signal et en effectuent une sorte d'analyse en
ondelettes. Mais l'essentiel des propriétés globales des
percepts proviennent de l'architecture fonctionnelle de ces
aires. Pour V1, sa structure en « pinwheels »
(roues d'orientation) implémente essentiellement la structure
de contact du plan visuel. Les processus d'intégration
globale des contours à partir de détections locales sont
descriptibles par des méthodes variationnelles. Nous
présenterons une méthode utilisant les géodésiques de la
géométrie sous-riemannienne associée à la structure de
contact.
:
Bâtir les fondations mésoscopiques de la cognition
- La structure des états mentaux et leur
ancrage dans le code neuronal constituent une question fondamentale
des neurosciences cognitives. Combler le fossé conceptuel qui
sépare encore les approches symboliques macroscopiques
(psychologie, IA) des approches dynamiques microscopiques
(neurobiologie, connexionnisme) requiert l'établissement d'un
niveau intermédiaire, ou mésoscopique, de modélisation.
Métaphoriquement semblable aux protéines et cellules,
suspendues entre atomes et organismes, ce niveau doit à la
fois offrir une granularité plus fine que ses grands objets
et une structure plus complexe que ses petits éléments.
Encore récemment, les modèles connexionnistes suivaient pour
la plupart un paradigme simpliste de « traitement du signal »
où l'activation d'un petit nombre d'unités dans des
architectures multicouches se dirigeait littéralement de
l'entrée (le problème / la perception) à la sortie (la
solution / l'action) à travers plusieurs transformations.
Aujourd'hui, une nouvelle classe de modèles met plutôt
l'accent sur des myriades de neurones interagissant par
connexions synaptiques récurrentes denses et formant le
substrat d'un « medium excitable ». Ce substrat peut produire
des états d'activité endogènes sous forme de motifs
spatio-temporels dynamiques et transitoires. Dans ce nouveau
cadre, les stimuli externes jouent seulement le rôle de
« perturbation » s'exerçant sur des motifs préactivés.
Récemment, les neurosciences computationnelles ont
considérablement progressé dans l'exploration de l'immense
diversité des régimes dynamiques, possibles et probables,
du système nerveux. De nombreux travaux soulignent
l'importance de la structure temporelle (et, par
distribution, spatiale) des signaux électriques, sur
laquelle ces dynamiques sont toutes fondées. Grâce à des
modèles de neurones plus sophistiqués (à « spikes »,
oscillateurs, excitables, etc.) et une puissance de calcul
accrue autorisant des simulations sur réseaux complexes de
grande taille, le niveau mésoscopique s'est progressivement
peuplé d'une zoologie d'objets théoriques émergents, tels
que chaînes de type « synfire », groupes polychrones, ondes
progressives ou attracteurs chaotiques.
- NIVEAU MACROSCOPIQUE : Neurosciences cognitives, imagerie
fonctionnelle
:
La beauté dans le cerveau ?
- Qu'est-ce qu'une oeuvre d'art ? Comment l'artiste
procède-t-il dans sa démarche créatrice ? Comment l'art
évolue-t-il ? Les travaux en cours sur les sciences du
cerveau et les sciences de la cognition suggèrent des
hypothèses et des pistes de réflexion encore peu abordées
tant par les artistes que par les historiens d'art. D'abord,
il est clair que l'activité artistique apparaît chez Homo
sapiens à la suite d'une évolution génétique qui a permis un
accroissement spectaculaire de la complexité cérébrale à
partir de modifications modestes de son génome. Ce qui
implique une intrication profonde avec les processus
épigénétiques au cours du développement postnatal. La
contemplation de l'oeuvre d'art – ici une peinture – est
envisagée sous l'angle d'une exploration par le regard du
spectateur qui accède à une synthèse cérébrale consciente
(des formes et des figures perçues et des mémoires qu'elles
évoquent) qui se distingue par sa singularité et ses
profondes résonnances émotionnelles. La création est
considérée sous l'angle d'une évolution des représentations
dans l'espace cérébral conscient de l'artiste accompagnée
de processus de sélection et d'actualisation en gestes
moteurs conduisant à l'esquisse puis à l'oeuvre achevée.
Le processus de sélection est encadré par des « règles
épigénétiques » comme l'originalité, l'harmonie,
la parcimonie, la signification, la visée éthique... qui
contraignent et définissent le style de l'artiste.
L'histoire de l'art résulterait un réseau d'évolutions
emboitées se produisant entre le cerveau de l'artiste et
les évolutions culturelles actuelles et passées de
l'environnement de l'artiste, s'accompagnant d'un constant
renouvellement des thèmes, mais ne conduisant pas
nécessairement à un progrès, comme c'est le cas avec
l'histoire des sciences et des technologies.
:
Ongoing activity, evoked responses and human perception
- Two observations have puzzled
neuroscientists for a long time: the spontaneous activity
generated by neural networks and the trial by trial
variability of responses to the same stimulus. Some research
has suggested to link the two, such that ongoing activity
levels immediately preceding the stimulus would determine
the variability in the response to this stimulus. More
recent work in humans has contributed to our understanding
of spontaneous large-scale brain activity fluctuations and
their relation to brain activity changes induced by an
experimental paradigm. While mainstream data analysis
techniques continue to treat spontaneous brain activity as
"noise", several studies have shown that this usually
unexplained variance correlates with human perceptual
performance. As a consequence, currently dominating models of
perceptual processes need to be revisited.
:
Décision et fonction exécutive préfrontale
- Le cours s'intéresse à la
décision, c'est à dire à comment l'homme décide
volontairement de ses actions. Le cours abordera ainsi
l'étude des fonctions exécutives centrales humaines, celles
qui confèrent à l'homme son aptitude à décider de ses actions
non seulement en réaction à des événements externes mais
aussi en relation avec ses désirs, ses préférences et ses
croyances. Le cours portera plus particulièrement sur
l'implémentation biologique de ces fonctions au sein du
cortex préfrontal humain.
:
Interfaces cerveau-machine : « agir par la pensée »
- Proposer à des personnes ayant un
grave handicap moteur, mais des facultés cognitives
préservées, le moyen de communiquer et d'agir sur le monde
extérieur par le biais de leur seule activité cérébrale
paraissait, il y a peu de temps, encore inaccessible. Les
avancées récentes en analyse des signaux cérébraux, la
puissance informatique sans cesse croissante, et surtout
notre compréhension de plus en plus fine du fonctionnement
cérébral, ont abouti depuis quelques années à une explosion
de ce domaine de recherche et développement en neurosciences.
Il devient possible de contrôler un curseur à l'écran,
d'écrire un texte, ou de piloter d'autres dispositifs
externes grâce à la mesure de l'activité cérébrale.
Différentes approches sont proposées aujourd'hui, non
invasives par la mesure de l'EEG à la surface de la tête, ou
invasives à l'aide d'implants corticaux et par la mesure de
l'activité de populations de neurones. Elles s'appuient sur
différents types d'activité cérébrale, comme l'imagerie
mentale ou l'attention par exemple. Des méthodes de plus en
plus sophistiquées d'extraction de paramètres et de
classification des signaux doivent être mis en oeuvre pour
accéder aux mesures les plus spécifiques d'une activité
mentale donnée. Ces différents aspects et les défis associés
seront présentés.
:
Altérations qualitatives de la conscience en psychiatrie et cerveau
- Les neurosciences développent une
approche objective du cerveau et des principales fonctions
cognitives. La conscience, en particulier la conscience
phénoménale ou l'expérience subjective, dans la mesure où
elle fait l'objet d'une appréhension en première personne
(nous n'avons accès directement qu'à notre propre expérience
subjective), ne se prête pas facilement à une étude
objective, dite « en troisième personne », et par conséquent
à une étude neuroscientifique. Cette difficulté renvoie à des
questions philosophiques sur la nature et les propriétés
essentielles de la conscience que nous évoquerons. Les
neurosciences se sont néanmoins efforcées de développer des
modèles de la conscience. Nous prendrons l'exemple des
altérations qualitatives de conscience en psychiatrie, en
particulier des troubles de la conscience d'agir dans la
schizophrénie, pour illustrer la contribution des
neurosciences à l'étude de la conscience d'agir et de ses
liens avec la conscience de soi.
Date |
Intervenants |
Intitulé |
Références |
17 sept |
et
|
INTRO : Cerveau et cognition
Présentation et organisation du séminaire
|
•
• Annexe biblio
|
24 sept |
et
|
Imagerie et nanosciences dans l'étude des cellules nerveuses
|
•
|
Pierre Larraufie
Rémy Cardinet
Cyriac Massué
|
Quelques éléments de biologie cellulaire
Diffusional trapping of AMPA receptors by synaptic activity
Redistribution of GABA receptors on growth cones
|
•
•
|
1er oct |
|
La beauté dans le cerveau ?
|
•
•
|
Hao Chen
Alexandre Storelli
Thomas Cayé
|
Un modèle de la conscience : l'espace de travail global
Test de Stroop et apprentissage dans les tâches d'attention
Activité spontanée et accès à la conscience
|
•
•
•
|
8 oct |
|
Le codage neuronal
|
•
|
Alexandre Nicolas
Vincent Vennin
Igor Reshetnyak
|
Neurones et mémoire
Plasticité de la propagation axonale
Codage par corrélations interneuronales
|
•
•
•
•
•
|
15 oct |
|
Ongoing activity, evoked responses and human perception
|
•
•
|
Jérémy Bleyer
Frédéric Branger
Marc Ernoult
|
Bases neurales de la perception: fMRI et EEG
Influence de l'activité spontanée sur la perception
Fluctuations infra-lentes de l'activité cérébrale
|
•
•
|
22 oct |
|
Modélisation mésoscopique dans les réseaux de neurones
|
•
|
Charles Hernandez
Boris Arnoux
Thomas Di Maio
Baptiste Hinaux
|
La mémoire de travail
Flutter discrimination
Mémoire à court terme pictorielle
Réverbération dans l'activité persistante
|
•
•
•
|
29 oct |
Vacances de La Toussaint : pas de séminaire |
5 nov |
|
Décision et fonction exécutive préfrontale
|
•
|
Keesjan de Vries
Igor Favorskiy
Timothée Verdier
|
Brain imaging
Prefrontal cortex in branching tasks
Prefrontal cortex in exploration vs. exploitation
|
•
•
|
12 nov |
|
Interfaces cerveau-machine : « agir par la pensée »
|
|
Nicolas Broguière
Clément Gervais
Hugo Martin
Julien Van Hout
|
Interfaces cerveau-machine
Neural ensemble physiology
Control of prosthetic devices
Visual spatial attention tracking
|
•
•
•
•
|
19 nov |
X-Forum : pas de séminaire |
26 nov |
|
Olfaction and life-long neurogenesis
|
•
|
Seydou Traore
Vincent Olekhnovitch
Alexandre Becker
|
Quelques notions sur l'olfaction
Inhibition GABAergique et oscillations dans le bulbe olfactif
Régénération neuronale dans le bulbe olfactif
|
•
•
|
3 déc |
|
Architectures de calcul dans le cortex visuel
|
•
•
|
Florian Gérard-Mercier
Simon Cruanes
Jean-Maxime Orlac'h
|
L'architecture du cortex visuel
Effets contextuels dans les champs récepteurs
Connexions horizontales à longue portée
|
•
•
|
10 déc |
|
Bâtir les fondations mésoscopiques de la cognition
|
|
Anaïs Giacinti
Adrien Chan-Hon-Tong
Matthieu Palayret
Yann Blouin
|
Croissance spatio-temporelle d'une synfire chain
Composition par liage temporel de plusieurs synfire chains
Synchronisation d'oscillateurs couplés et segmentation perceptive
Ondes sur oscillateurs et catégorisation linguistique
|
•
•
•
• ,
|
17 déc |
|
Altérations qualitatives de la conscience en psychiatrie et cerveau
|
•
|
Matahi Moarii
Margaux Allix
|
Self-consciousness, self-agency, and schizophrenia
The self in action: lessons from delusions of control
|
•
•
|
De nouvelles références peuvent être ajoutées au fur et à mesure
que le séminaire progresse : consultez-les régulièrement. Les
textes intégralement disponibles en ligne sont indiqués par un lien
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PDF en gras.
Les liens HTML renvoient vers une page de
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il faut ensuite sélectionner "Full Text" ou "Download PDF".
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