La conscience reste une énigme pour les scientifiques. Cette nouvelle théorie, de chercheurs du Ronin Institute (Montclair, US), inspirée de la thermodynamique, développe l’hypothèse selon laquelle les réseaux de neurones dans le cerveau s’organisent de manière transitoire pour donner naissance à des souvenirs, à la pensée et à la conscience. Ce concept, documenté dans la revue Frontiers in Neuroscience, basé sur les principes thermodynamiques, d’énergie, de dissipation et d’équilibre offre une nouvelle compréhension de la manière dont « les états mentaux se produisent » et dévient parfois vers des états neuropathologiques.
L’auteur principal, le Dr Jose L. Perez Velazquez et ses collègues expliquent finalement la prise de conscience par une sorte de « va-et-vient » de l'énergie : lorsque les neurones s'unissent pour soutenir le traitement de l'information, leurs schémas d'activité se synchronisent comme des vagues. Ce processus est intrinsèquement guidé par des principes thermodynamiques qui, à l'instar d'une main invisible, favorisent les connexions neuronales propices à la prise de conscience. Les perturbations dans ce processus, qui interrompent la communication entre les réseaux de neurones, donnent ainsi lieu à des troubles neurologiques tels que l'épilepsie, l'autisme ou la schizophrénie.
Une nouvelle théorie de l’organisation du cerveau qui différencie les états cérébraux sains et conscients, des états inconscients.
Espace de travail ou information intégrée ?
Les scientifiques ont longtemps émis l'hypothèse que la conscience découlait de l'activité coordonnée des neurones.
- La théorie de l’espace de travail neuronal, postule que certaines zones du cerveau intègrent des informations spatio-temporelles sur un grand nombre d’espaces cérébraux connectés, ce qui permet de disposer de données disponibles globalement pour divers processus tels que la mémoire, l’attention et le langage ;
- une autre hypothèse, la théorie de l'information intégrée, postule que la conscience est le résultat d'un cerveau fortement interconnecté et que le degré de cette interconnexion peut être quantifié.
Cependant ces scientifiques américains font remarquer que ces théories n'abordent pas le point le plus délicat : quels sont les principes qui guident ces connexions, de sorte que la conscience se développe dans le cerveau ?
De l’état de conscience : Lors de cet état de conscience, le cerveau doit activement intégrer et écarter des données apportées par nos différents sens et va donc consommer plus d'énergie que lorsqu'il est inconscient. En utilisant ces données d’enregistrements neuronaux de participants, pendant l’éveil, le sommeil, le coma et les crises d’épilepsie, des états cérébraux majeurs, l’équipe constate que l’entropie pendant la conscience est plus élevée que pendant les états inconscients. Ici, l'entropie étant associée au nombre de configurations de réseaux cérébraux synchronisés ou « connectés ». Cette entropie élevée est associée à une « dissipation » plus importante de l’énergie : « De l'énergie est dissipée au fur et à mesure que davantage de neurones sont connectés », expliquent les chercheurs. Leurs modèles utilisant des équations thermodynamiques montrent que les états sains et conscients entraînent en effet une plus grande dissipation.
L’organisation de l’énergie plutôt que la quantité d’énergie : chacun de ces états majeurs ou « macrostate », -comme l’éveil, le sommeil, le coma et les crises d’épilepsie- est composé de plusieurs micro-états configurables. Au cours de la prise de conscience, le cerveau dispose d’un nombre optimal de réseaux de neurones connectés et d’un nombre beaucoup plus important de micro-états pour soutenir la cognition. En revanche, pendant les états inconscients tels que les crises, il y a trop de réseaux de neurones connectés, ce qui entraîne moins de micro-états – et par conséquent, une entropie inférieure et une énergie libre plus élevée, entraînant un dysfonctionnement du cerveau.
« Maintenir des états cérébraux sains ne dépend donc pas de la quantité totale d'énergie contenue dans le cerveau […] mais plutôt de la manière dont cette énergie est organisée ».
« La transition subtile entre la santé mentale et la folie » : cette nouvelle théorie de la « désorganisation » de l’énergie différenciant les états cérébraux sains ou conscients des états pathologiques ou inconscients (par exemple lors de certaines crises d'épilepsie) permet de mieux comprendre le processus par lequel une activité cérébrale normale passe à l’état anormal. Lorsque les neurones s’hyper-activent, il en résulte une synchronisation des réseaux plus longue que la normale qui dure trop longtemps ou qui atteint des zones trop étendues. Le cerveau est « submergé » par cette énergie libre et s'installe dans un état trop stable, comme s’il « se bloquait ».
Comprendre l’organisation du cerveau à l’ère de l’« IA » : à ces débuts de l’ère de l’interface homme-machine, de l’intelligence artificielle (IA) et des dispositifs de santé intelligents, il devient crucial de mieux cerner les principes biologiques qui guident l'organisation du cerveau. Ces nouveaux travaux associent la physique classique dont les lois de la thermodynamique, à des données d’enregistrement de l’activité neuronale et, finalement, apportent une nouvelle image de la façon dont les changements d’énergie libre – la quantité d’énergie disponible dans le système cérébral- permettent de synchroniser et de réguler l’activité dans les réseaux neuronaux.
Ces travaux qui illustrent aussi le « continuum entre la santé mentale et la folie » apportent ainsi une nouvelle vision dynamique de cette bascule entre conscience et inconscience qui contribue à une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau. Une connaissance indispensable pour gérer et traiter les maladies neuropsychiatriques.
Source : Frontiers in Neuroscience 15 October 2019 DOI : 10.3389/fnins.2019.01106 On a Simple General Principle of Brain Organization
