03. Notre mémoire ferroélectrique.
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Les charges permanentes et la plasticité des protéines leur confèrent des propriétés hystérétiques / ferroélectriques
Des travaux sur la ferroélectricité de l’élastine, une protéine de structure, permet de donner un exemple de ces propriétés, y compris la piézoélectricité et la pyroélectricité
La non coïncidence des barycentres des charges positives et négatives des protéines forment un dipôle électrostatique équivalent qui peut être représenté par un vecteur (flèche E ) et associé à ...
... un champ électrique,
ou polarisation permanente, « naturelle », intrinsèque, non induite …
Or ...
.. ce champ électrique pourrait bien avoir un rôle déterminant pour la formation/enregistrement, l’utilisation/exploitation et l’emmagasinage de la mémoire.
Dans son article
Hubel et Wiesel, quelle vision ! (voir Neurone, mémoire et vecteur)
Jean-Gaël Barbara nous apprend que
« Dès 1955, on découvrait que les neurones visuels du cerveau sont plutôt des détecteurs de mouvement, d’orientations ou de contrastes. »
La conclusion de Hubel et Wiesel est que « chaque neurone du cortex visuel … codent probablement les images rétiniennes de manière vectorielle. »
Ce vecteur imaginé par Hubel et Wiesel pourrait être celui du champ ferroélectrique des protéines, … celui des protéines de mémoire
… mises en place par les astrocytes en contact avec les synapses
La plasticité des protéines (qui sera étudiée dans le prochain article) confère à ce champ (à cette polarisation, etc.) des propriétés hysétérétiques, qui font l’originalité et la puissance de notre mémoire protéique…
Le suffixe « ferro » n’est qu’une analogie avec le cycle de polarisation des matériaux ferromagnétiques.
Certaines protéines, comme l’hémoglobine, contiennent effectivement du fer mais la ferroélectricité des protéines est indépendante du fer !
ferroélectrique/hystérétique s’il possède
1° une polarisation permanente, c'est-à-dire un champ électrique permanent, (comme un aimant garde un champ magnétique permanent).
2° Si ce matériau est déformable, plastique, comme les protéines et notamment les protéines « intrinsèquement désordonnées »…
Si on applique un champ électrique extérieur, la polarisation du matériau ferroélectrique est modifiée
… jusqu’à atteindre une valeur maximum Ds
une courbe d’hystérésis peut être observée (Cette courbe a donné le qualificatif hystérétique)
Et en annulant le champ électrique extérieur auquel le matériau hystérétique a été soumis précédemment, la valeur du champ électrique (polarisation) de ce matériau ne revient pas à sa valeur initiale (0,0), mais à une valeur de polarisation Dr ...
« r » pour rémanente, c'est-à-dire une polarisation Dr qui est conservée après la disparition du champ extérieur.
... comme si le matériau ferroélectrique conservait une « mémoire » de son expérience passée.
Pour mémoire, la définition de « mémoire » est : nom féminin ; faculté de conserver et de rappeler des choses passées et ce qui s'y trouve associé
Coïncidence ?
Il n'est pas impossible que cette « mémoire » soit utilisée d’une certaine façon dans la gestion de la mémoire par notre cerveau, mais l’essentiel de notre mémoire est celles conférée par les propriétés physico-chimiques des protéines
Pour deux valeurs du champ extérieur, Ec et - Ec, le champ électrique de la substance hystérétique devient nul, elle n’est plus polarisée.
Les valeurs de la polarisation en fonction du champ extérieur forme une courbe appelée cycle d'hystérésis.
Le phénomène de la ferroélectricité en général, est longtemps restée « une propriété tout à fait exotique » (Wikipédia)
… pourtant observée dès les années quarante, la ferroélectricité des protéines a pratiquement disparu de l’horizon de la biophysique …
Même si les os et les tendons sont réputés ferroélectriques la ferroélectricité biologique est restée essentiellement une curiosité de laboratoire.
Comme pour le microbiote intestinal, ou la glie, comme personne ne savait à quoi elle servait, la ferroélectricité des protéines a été oubliée.
La ferroélectricité de l’élastine (protéine qui confère son élasticité au derme, aux vaisseaux sanguins, aux ligaments, à certains tendons, …), étudiée par l’équipe de Jiangyu Li de l’Université de Washington (Seattle, USA) en 2014 est une exception qui justifie que ces travaux soit regardés avec le plus grand intérêt
Remarque : Les courbes D ci-dessus correspondent à la première partie de la courbe du § "ferroélectricité"
Mais quel rapport peut-il y avoir entre
l’élastine
... et les protéines de mémoire ?
Toutes les deux sont des protéines.
Propriétés qui ajoutent quelques suppléments d'« exotisme » à la ferroélectricité
1° tout matériau qui est ferroélectrique est également piézoélectrique et pyroélectrique.
Un matériau est Piézoélectrique si sa polarisation est modifiée quand il subit une contrainte mécanique. Cette modification peut permettre de produire de l’électricité et c’est sur ce principe qu’a été construite la première balance électrique.
Un matériau est Pyroélectrique si sa polarisation est modifiée quand il est chauffé ou refroidi, modification qui peut également permettre de produire de l’électricité
La piézoélectricité et la pyroélectricité de l’élastine ont été étudiées par l’équipe de Jiangyu Li
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On peut voir à l’occasion de la pyroélectricité la grande différence de comportement entre deux protéines, l’élastine en rouge, le collagène en vert (« collogen » par erreur sur la figure, pour "collagen") une protéine de structure comme l’élastine)
Sur la figure, à environ 310°K, c'est-à-dire à la température de notre cerveau, l’élastine de produit pas d’électricité, tandis que le collagène en produit jusqu’à presque 1 nano Ampère, mais de façon qui semble complétement aléatoire, ou floue.
Le courant électrique de 1,5 nA produit par l’élastine chauffée à 475°K (environ 200°C) nous permet de rester dans l’exotisme.
2° La ferroélectricité peut être abordée de façon quantique/ondulatoire
C’est certainement ce qu’ont observé les physiciens de l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
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Comme « chefs d’orchestre » des fonctions cognitives les astrocytes, produisent les protéines de mémoire et les mettent en contact avec les synapses (jonction entre les neurones).
Le blob donne un exemple de mémoire sans neurone.
Par analogie avec le système immunitaire de nombreuses protéines peuvent être synthétisées (par épissage alternatif). Réunies sous forme d’oligomères toriques elles permettraient un nombre de combinaisons quasi infini de toroïdes différents, aussi infini que les informations à mémoriser.
Vers
Les protéines sont les supports de la mémoire, elles ont les propriétés physiques des protéines dont la plasticité.