MEDECINE ET ROBOTIQUE

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Neurone biologique et neurone artificiel

 

De la même manière que nous parlons d’intelligence artificielle, nous utilisons également le terme de « neurone artificiel ». Il s'agit d'un programme informatique qui se construit selon le schéma de fonctionnement du neurone biologique. 

Qu’est-ce qu’un neurone artificiel? Peut-on le comparer à un neurone du cerveau? Nous décrivons brièvement l’un et l’autre avant de nous pencher sur cette question. 

 

QU’EST-CE QU’UN NEURONE « BIOLOGIQUE »?

Le neurone, que nous dénommerons par la suite « neurone biologique » pour le distinguer du « neurone artificiel » des informaticiens, est une cellule spécialisée de l’organisme. Il est l’unité de base de notre cerveau qui en contiendrait 86 milliards. Assemblés en réseau, les neurones donnent naissance à la pensée humaine et à ce que nous nommons intelligence. Mais ils ne sont pas les seules cellules du cerveau. D’autres types cellulaires jouent un rôle fondamental et participent au processus neuronal. Sans eux, les neurones ne pourraient exister. 

Mais seuls les neurones, ou plus exactement leurs propriétés électriques, ont inspiré les inventeurs du « neurone artificiel ». En effet, le neurone biologique a la particularité de produire, sous certaines conditions, un signal électrique et de le transmettre. C’est par ce signal électrique que se fait la diffusion du message nerveux. 

Décrivons le phénomène électrique du neurone plus en détail. 

 

Observons le dessin ci-dessous.  

Les dendrites        

        

                                Le corps cellulaire

                                           ↓                                      

                                                                       L’axone

                                                                             

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Repérez, dans la partie gauche, l’élément étoilé. Il s’agit du corps cellulaire du neurone. Vers lui convergent des éléments ramifiés, ce sont les dendrites (elles sont au nombre de 5 sur le dessin). Du corps cellulaire, se dirigeant vers la droite, l’axone. A son extrémité, l’axone se ramifie en plusieurs expansions (au nombre de 4 sur le dessin). Au bout de ces extrémités, les synapses.  

 

LE NEURONE EN QUELQUES MOTS 

Dendrite. Le neurone est une cellule en relation avec l’extérieur par le biais de ses dendrites. Les dendrites forment donc « l’entrée » du neurone. Elles sont en très grand nombre. Les dendrites réagissent aux événements environnants. Il peut s’agir de la perception de lumière au niveau des yeux, de pression au niveau de la peau, par exemple. Un tel événement, issu de l’ environnement et capable de déclencher une réaction du dendrite est appelé stimulus.   

Le champ des stimuli capables de faire réagir nos neurones est vaste. En fait, il s’agit de tout ce qui se produit à l’intérieur et à l’extérieur de notre corps.   

La dendrite réagit en créant une décharge électrique, également appelée potentiel d’action, dirigée vers le corps cellulaire. 

 

Corps cellulaire. Il reçoit les influx électriques provenant de toutes les dendrites. A ce niveau, se réalise une sommation de l’intensité de tous les influx reçus. Si la somme dépasse un certain seuil, la décharge électrique est transmise à l’axone.  

 

Excitation supra-liminaire 

Tous les influx électriques des dendrites convergent vers le corps cellulaire. A cet endroit, ils viennent s’ajouter les uns aux autres. Ainsi se réalise une sommation de leur intensité.  

Les influx électriques parvenus au niveau du corps cellulaire ne sont pas transmis à l’axone systématiquement. Il existe une condition. L’intensité détectée à l’origine de l’axone doit dépasser un certain seuil. En dessous, le message des dendrites est ignoré. Au-dessus, il déclenche une excitation électrique qui se propage tout le long de l’axone, jusqu’à ses synapses. On parle d’excitation supra-liminaire.  

 

Axone. C’est la voie de sortie unique du neurone, « la voie finale commune ». Il se ramifie en de multiples expansions qui le lient à d’autres cellules, via les synapses. Ainsi, se diffuse l’information vers l’extérieur du neurone.  

 

Synapse. C’est l’endroit ou se fait la connexion entre 2 neurones, donc entre une dendrite et un axone. Anatomiquement, il s’agit d’une fente. L’une de ses berges est la terminaison d’un axone, l’autre est l’origine d’une dendrite. L’axone d’un neurone est donc lié à la dendrite du neurone suivant.  

Ci-dessous, le schéma d'une synapse. En haut du dessin, la terminaison de l'axone. Elle contient des vésicules de neurotransmetteurs. Les vésicules sont représentées par les cercles. Les neurotransmetteurs, par les petits hexagones dessinés à l'intérieur des cercles. La vésicule fusionne avec la membrane de l'axone et relargue les neurotransmetteurs dans la fente synaptique. En face de l'axone, la dendrite du neurone suivant. Elle est représentée en noir sur le dessin. Elle contient des récepteurs qui fixent les neurotransmetteurs. Ils sont représentés par les petites tiges grises. La fixation provoque la formation d'un courant électrique au niveau de la dendrite. 

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Neurotransmetteur 

Un neurotransmetteur est un composé chimique produit par le neurone. Il est relâché dans la fente synaptique par l’axone, sous l’effet du potentiel d’action (la décharge électrique). Il existe un grand nombre de neurotransmetteurs. Ce sont eux les vrais agents du message nerveux. Leur variété nous donne la diversité d’action nécessaire à notre adaptation au milieu environnant. Si l’intelligence artificielle est électrique, l’intelligence humaine est, elle, chimique! 

 

Information. Le concept d’information transmis par le neurone peut être un peu vague. Essayons de l’éclaircir. L’information est l’ensemble des phénomènes électriques et chimiques qui se propagent à travers le neurone en réaction à un événement environnant. Elle est créée sous forme électrique au niveau des dendrites et se propage à l’axone via le corps cellulaire. Mais, au niveau de la terminaison de l’axone, l’influx électrique déclenche la sortie de neurotransmetteurs. Ces neurotransmetteurs se fixent sur la dendrite située sur l’autre versant où ils déclenchent un influx électrique dans le neurone suivant. Au niveau de la synapse, l’information a donc pris une forme chimique.  

Retenons également que l’information ne circule que dans un seul sens, des dendrites vers l’axone. La dendrite reçoit le signal, l’axone le diffuse.

 

 

QU’EST-CE QU’UN NEURONE ARTIFICIEL?  

Le neurone artificiel n’est pas un objet physique vivant mais une procédure informatique qui se déroule selon un schéma d’enchainement d’évènements inspiré du neurone biologique. 

 

LE NEURONE ARTIFICIEL EN QUELQUES MOTS 

Entrée 

En informatique, une entrée est l’information que l’on donne à traiter à un ordinateur. Ainsi, si voulez faire apparaître la lettre « a » sur l’écran, vous appuyez sur la touche « a » du clavier. C’est la donnée d’entrée. Vous noterez d’ailleurs que pour l’envoyer à l’ordinateur, vous appuyez sur la touche « entrée » du clavier. 

 

Sortie 

La sortie est le résultat de la procédure informatique déclenchée par l’entrée de données. L’affichage de la lettre « a » après avoir appuyé sur la touche correspondante du clavier est un exemple. 

 

L’entrée du neurone artificiel: les poids synaptiques 

Dans le neurone biologique, toutes les informations transmises au corps cellulaire par les dendrites n’ont pas la même importance. Imaginons un neurone à 5 dendrites. Si chacun était équivalent, il compterait pour 20% de l’intensité finale. Mais ce n’est pas le cas. Une dendrite peut représenter 5%, une autre 50% etc.. Chaque dendrite a donc un « poids » différent dans l’intensité finale.
Les informaticiens ont repris cette propriété physiologique pour élaborer le concept de neurone artificiel. Ainsi, chaque donnée fournie en entrée au neurone artificiel se voit attribuer un coefficient selon l’importance qu’on lui attribue dans la détermination du résultat final. Ce coefficient est le « poids synaptique ». 

 

Pourquoi utiliser le terme de synapse? 

Au niveau du cerveau, chaque neurone est connecté à d’autres neurones par ses dendrites. Nous l’avons vu plus haut, la synapse est l’endroit où se fait le lien entre l’axone du neurone émetteur et la dendrite du neurone récepteur. Dans un réseau de neurone artificiel, le résultat de sortie sera la donnée d’entrée du neurone artificiel suivant, à l’image de ce qui se passe dans le cerveau. Les informaticiens ont donc repris ce terme de synapse pour désigner la procédure informatique de présentation de donnée à un neurone artificiel. 

 

Le « corps cellulaire » du neurone artificiel: une fonction mathématique 

Cette fonction mathématique est appelée « fonction d’activation », par analogie avec le potentiel d’action du neurone.
En effet, elle ne se déclenche que si le seuil d’activation du neurone artificiel est atteint. Chaque neurone artificiel possède le sien. Nous l’avons vu plus haut, les données d’entrée sont affectées d’un coefficient. L’étape suivante est d’additionner tous les signaux reçus en entrée, chacun étant pondéré par son coefficient. Si la somme dépasse le seuil d’activation, alors la fonction mathématique est déclenchée, avec pour variables les données d’entrée. 

Le résultat produit est la sortie du neurone artificiel. Ce résultat déclenche une action de l’ordinateur. C’est cette action que l’on assimile à la décharge d’un axone car le « neurone artificiel» ne produit un résultat que si un « seuil d’activation » a été atteint. 

 

PEUT-ON ASSIMILER LE NEURONE ARTIFICIEL A UN NEURONE BIOLOGIQUE ET COMPARER LES 2 ? 

Le neurone biologique est une cellule vivante dont la production au cours de la vie embryonnaire est inscrite dans notre patrimoine génétique, hérité de quelques 3,5 milliards d’années d’évolution de la vie sur Terre. 

L’assemblage complexe des neurones forme le système nerveux et représente l’interface entre notre corps et le monde extérieur. Dans un processus dont nous ignorons presque tout, il a généré la conscience. Celle-ci reste un événement biologique dont on ne voit pas très bien par quel mécanisme il pourrait être reproduit expérimentalement. En effet, elle est produite par l’interaction des neurones et des autres cellules de l'organisme par l'intermédiaire de molécules chimiques, les neurotransmetteurs. Au sein du neurone, la transmission de l’information est électrique. Elle a inspiré le « neurone artificiel ». Mais la conduction électrique n’est pas l’identité du neurone biologique. Celle-ci est déterminée par les neurotransmetteurs qu’il est capable de décharger. 

Le neurone artificiel n’a pas de réalité physique ni de propriété biologique. Bien qu’il permette à un ordinateur de s’auto-programmer, il faut toujours avoir à l’esprit qu’il est lui-même un programme informatique qu’il a fallu écrire en amont. Il n’est doté d’aucune propriété qui lui donnerait la capacité de regarder et d’interpréter le monde par lui-même pour évoluer vers un être doué de conscience. 

Neurone biologique et neurone artificiel n’ont rien à voir l’un avec l’autre. Il n’y a pas lieu de les comparer comme 2 entités naturelles qui pourraient être confrontées. Le vivant peut inspirer l’informatique. L’informatique peut aider à comprendre le vivant. Mais la production de copies confomes du vivant par informatique reste du domaine de la science-fiction 

 

 

 

POUR EN SAVOIR PLUS

Sur le neurone biologique. 2 très belles références, remarquables par leur clarté. 

 

A lire. Le cours "Physiologie du neurone" du Pr Jacques Coget de l'université de Lille. Vous y trouverez en particulier des explications très claires sur la conduction électrique du neurone. 

http://passeport.univ-lille1.fr/site/biologie/scbio/Neurone/Neurone_web.publi/web/co/Neurone_web.html

 

A voir. La video consacrée à l'influx nerveux du site neuromatiq, par le Dr Ben Brahim Mohammed, de l'université de Fès. 

 

 

Sur le neurone artificiel

Je vous conseille l'ouvrage de Jean-Claude Heudin, "Comprendre le Deep Learning, une introduction au réseaux de neurones".

Il s'agit, et de très loin, de la meilleure référence sur le sujet. 

 

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02/11/2019
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