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Publié par Jean-Pierre FORESTIER

Un ordinateur vectoriel ferroélectrique

 

L’essentiel

Une synapse biophysique bio-inspirée de notre mémoire inclurait une jonction astrocytaire.

Le signal électrique biophysique serait modifié

- par la proximité des champs électriques générés par le matériau ferroélectrique situé entre les armatures. Ce matériau pourrait être du simple Nylon.

- par un signal astrocytaire biophysique

Des réseaux biophysiques incluraient à la fois des circuits de neurones et des circuits parallèles d’astrocytes  

Des synapses biophysiques permettraient de construire des ordinateurs vectoriels ferroélectriques

n

 

Bio-inspiré

Pour conceptualiser une "synapse biophysique" il importe qu’elle soit bio-inspirée par une synapse
« naturelle ».

Une synapse biophysique doit tenir compte que la synapse forme un ensemble tripartite, c'est-à-dire qu’elle soit non seulement la jonction entre un neurone amont pré-synaptique et un neurone aval post-synaptique, mais aussi une jonction par un pied astrocytaire permettant à l’astrocyte est en contact avec la synapse

 

Dans une « synapse biophysique », le « pied astrocytaire biophysique » est à proximité imméditate des « axones biophysiques ».

C’est la différence fondamentale avec la « synapse électronique » de Vincent Garcia et al.

Si ce montage électronique utilise bien un matériau ferroélectrique qui peut être considéré comme bio-inspiré des protéines de mémoire (bien que les auteurs n’y fassent pas référence), ce matériau n’est pas en contact mais traversé par l’impulsion électrique (voir figure ci-contre).

Comme l'était également le memristor de Leon O. Chua ...

... la "synapse électronique" est assimilable à une « circuit en série », ...

... tandis que la "synapse biophysique" est assimilable à un circuit « en parallèle ».

 

Dans la « synapse biophysique » proposée sur la figure générale, l’impulsion électrique neuronale est en contact avec le matériau électrique mais reste dans le conducteur central (vert puis bleu sur la figure).

Matériau ferroélectrique

Le matériau ferroélectrique situé entre les armatures du « pied astrocytaire biophysique » est bio-inspiré par les protéines de mémoire.

Tous les matériaux décrits dans les articles précédents sont éligibles, y compris un simple Nylon.

Voir Notre mémoire bioferroélectrique

 

Signal neuronal biophysique

 

Les « axones biophysiques » permettent la circulation d’impulsions électriques.   

Input

L’impulsion pré-synaptique – input - peut être
 

 

- un simple signal carré,

- une signal mimant le potentiel d’action comme, par exemple, ceux utilisés par ...

 

... Vincent Garcia

- mais une ondelette semblerait préférable. En effet, les outils mathématiques, maintenant classiques, pourraient permettre des analyses du signal post-synaptique biophysique.

Output

Après la traversée de la « synapse biophysique », l’impulsion (le signal input) est modifiée par le champ électrique générée par le « pied astrocytaire biophysique » pour donner un signal post-synaptique (output).

 

Dans la synapse naturelle, la principale modification observée est une latence (ΔT) du signal neuronal (le potentiel d’action).

Rappel : cet écart entre les pics, le  Spike-time-dependent-plasticity, est attribué à la plasticité de la synapse.

Quand les signaux neuronaux pré-synaptiques se succèdent avec une fréquence, une cadence, inférieure à celle du signal,
cette latence crée un signal post-synaptique « original », complexe, riche en informations.

Figure empruntée à UW Courses Web Server

 

La review, publiée (également) dans Frontiers, par une équipe principalement suédoise, sous le titre :  

Postsynaptic signal transduction models for long-term potentiation and depression

... montre, s'il le fallait davantage, la complexité des signaux post-synaptiques, ne serait-ce que par l'étendue de la variété des ... résultats publiés, des modèles, de la prise en compte de la plasticité, etc. ….

 

L’expérience dira quelles seront les impulsions à la sortie – output – de la synapse biophysique, et  ...

 

... quelle sera leur richesse. 

Signal astrocytaire biophysique

Dans une synapse naturelle, le pied astrocytaire est relié par une dendrite à l’astrocyte ; lui-même est relié par d’autres pieds astrocytaires à d’autres synapses et à d’autres astrocytes constituant un réseau parallèle à celui des neurones (voir § ci-dessous : Réseaux biophysiques)

Ce "circuit astrocytaire" parallèle peut être mimé pour d’envoyer, dans un sens ou dans l’autre, des impulsions électriques dans le « pied astrocytaire biophysique »,

… ainsi modifier le champ électrique du matériau ferroélectrique situé entre les armatures

(les signes - et + de la figure peuvent donc être inversés)

… et faire du circuit astrocytaire le chef d'orchestre de la synapse biophysique comme l’astrocyte est le chef d’orchestre des synapses naturelles. 

En se référant aux synapses naturelles, contrairement aux potentiels d’action (neuronaux) dont la durée est de l’ordre des millisecondes, les impulsions astrocytaires seraient des flux dont la durée serait beaucoup plus longue, de l’ordre de la minute.  

Réseaux biophysiques

Dans le cerveau « naturel », (voir Agora cognitive), chaque neurone est relié par un réseau de synapses à environ mille autres neurones et, parallèlement, chaque astrocyte est relié à un autre réseau de plus de cent mille synapses (cent fois plus !).

 

Dans un ordinateur à synapses biophysiques :

- certains circuits neuronaux (combien ?) pourraient être reliés entre eux pour former un réseau neuronal biophysique.

- certains pieds astrocytaires (combien ?) pourraient être reliés entre eux pour former un réseau astrocytaire biophysique parallèle au réseau neuronal.

 

L’équipe de Vincent Garcia a utilisé des réseaux de synapses électroniques bio-inspirés des réseaux neuronaux.

 

 

 

 

De leur côté, Kazantsev et ses collègues de l’université de Nizhny (Novgorod, Russie) projettent l’étude « des mécanismes possibles de contrôle de la transmission du signal dans le réseau neuronal par les astrocytes. » selon des « interactions neurones-astrocytes bidimensionnelles »  voir figures ci-dessous

 

 

 

Mis en réseaux, les synapses biophysiques permettraient de construire des ordinateurs vectoriels ferroélectriques

 

De nombreux travaux portent sur la création de circuits électroniques bio-inspirés à partir d’une synapse.

Le plus simple est le Memristor, le plus élaboré pourrait bien être la « synapse électronique » contenant un matériau ferroélectrique entre ses armatures.

L’apprentissage peut être considéré comme une phase de modification de la mémoire.

Le signal neuronal modifie le champ électrique des protéines de mémoire, ou du matériau ferroélectrique situé entre les armatures…

… et réciproquement

… et ces modification se renouvellent à chaque nouveau signal. ,

À ces modifications réciproques peut s’ajouter des « interventions » de l’astrocyte

… et les modifications aléatoires propres à tout matériau plastique.

Comme celui des philosophes, l’apprentissage mnésique est sans fin.

Prédire l’état d’un apprentissage à un temps donné et dans une synapse donnée est impossible.   

Une certaine stabilisation correspond à une mémoire à long terme, mais en général les signaux de sortie ne sont ni prédictibles ni reproductibles.

Les résultats expérimentaux donnés par les synapses d’hippocampe sont flous, comme sont flous les résultats expérimentaux donnés par la « synapse électronique »

Pour progresser dans la connaissance des phénomènes cognitifs, acceptons le flou et au lieu de chercher une reproductibilité illusoire...

... utilisons les mathématiques de la Logique floue pour Notre Mémoire

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