10. Les transducteurs de notre mémoire.
Après un rappel des propriétés ferroélectrique, y compris la piézoélectricité, je reprends à mon compte les « élucubrations » de Mathias Mink pour associer ses « haut-parleurs » et « microphones » à la ferroélectricité aux protéines de mémoire.
Même si de nombreux travaux nous éclairent sur la ferroélectricité, elle conserve son côté exotique, obscur.
Il n’est pas question ici de faire une analyse bibliographique complète sur la ferroélectricité mais de reporter et commenter quelques articles ou conférences qui ont attiré mon attention.
Pour l’histoire de la ferroélectricité, jusqu’en 1999, vous pouvez vous reporter à l’article de Gene H. Haertling
Rappelons qu’un matériau, un objet, un cristal, un polymère, une protéine, est qualifié de
ferroélectrique s’il possède une polarisation permanente, c'est-à-dire un champ électrique permanent, (comme un aimant garde un champ magnétique permanent).
Si ce matériau est déformable, plastique, comme les protéines et notamment les protéines « intrinsèquement désordonnée »…
une courbe d’hystérésis peut être observée.
Et en annulant le champ électrique extérieur auquel le matériau ferroélectrique a été soumis précédemment, la valeur du champ électrique (polarisation) de ce matériau ne revient pas à sa valeur initiale, mais à une valeur Dr ... comme si le matériau ferroélectrique conservait une « mémoire » de son expérience passée.
Il est possible 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 des propriétés physico-chimiques des protéines
La polarisation d’un matériau ferroélectrique est modifiée, non seulement par un champ électrique extérieur – contrainte électrique - mais par tout ce qui modifie sa configuration spatiale,
Cette modification peut résulter, par exemple :
... d’une modification de température – contrainte thermique-
... ou d’une pression appliquée sur le matériau (ou un étirement) - contrainte mécanique –
Pendant les phases pendant lesquelles s’exercent ces contraintes, le matériau produit de l’électricité.
Sous une contrainte thermique un matériau ferroélectrique est qualifié de Pyroélectrique.
Sous une contrainte mécanique, un matériau ferroélectrique est qualifié de Piézoélectrique.
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Dans Pour la Science (et Nature), les auteurs demandent « Comment les cellules détectent-elles le contact et la pression mécanique pour ensuite transmettre la perception tactile vers le cerveau ? »
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La réponse ne serait-il pas dans les propriétés ferroélectriques (électrodéformables), donc également piézoélectrique,
des protéines.
Une pression sur les protéines Piezo peut fournir directement un signal électrique qui peut être envoyée au cerveau.
Voir aussi les propriétés générales de la ferroélectricité des protéines
Les propriétés listées ci-dessus sont aussi celles des transducteurs c'est-à-dire les dispositifs permettant de convertir un signal physique en un signal physique d’une autre nature.
Par exemple
- Un haut-parleur transforme un signal électrique en mouvements mécaniques formant des ondes acoustiques.
- Un microphone transforme des ondes acoustiques en un signal électrique.
Un transducteur peut être réversible, par exemple être à la fois haut-parleur et microphone s’il produit des ondes acoustiques à partir d’un signal électrique et réciproquement s’il produit un signal électrique après avoir « absorbé » une onde acoustique.
Voir aussi d’autres matériaux piézoélectriques
Plusieurs matériaux biologiques ont été reconnus comme possédant des propriétés bio-ferroélectriques.
Le champ électrique associé au potentiel d’action exerce une force (de Lorentz) sur les charges électriques de la protéine.
C’est cette force qui permettrait de sélectionner les protéines toriques pour qu’elles enregistrent une mémoire dans les pieds des astrocytes
Au niveau moléculaire, sur des protéines de mémoire installées, enregistrées, ces forces (de Lorentz) intramoléculaires induisent une contrainte dans la structure des protéines qui les oblige à changer de configuration (effet « microphone »).
Plus la protéine est plastique (plus elle est « intrinsèquement désordonnées »), plus les acides aminés portant ces charges seront déplacés, et plus la configuration spatiale des protéines sera modifiée.
C’est la partie du cours inaugural au Collège de France de Mathias Mink (Chaire d'Innovation technologique Liliane Bettencourt) que je préfère ; et comme lui j’aurais pu intituler l’ensemble des mes articles sur la mémoire : Ferroélectricité, Cerveau et élucubrations !
C’est donc tout naturellement par Mathias Mink que je commence cette balade dans le monde de la ferroélectricité
Par ailleurs, et surtout, Mathias Mink est le « père » des « miroirs à retournement temporel » et de l’utilisation des ondes de cisaillement dans le domaine de l’imagerie médicale, ...
... comme la Wave Elastography (SWE) qui permet d’améliorer la caractérisation des lésions mammaires (sans être obligé de pratiquer des écrasements douloureux du sein des femmes)
En y ajoutant quelques remarques, je reprends quelques passages de son cours :
« La vitesse des ondes mécaniques de cisaillement dans un neurone est sensiblement égale à la vitesse des « potentiels d’action », qui véhicule les informations cognitives
Il est surprenant que des ondes mécaniques et des ondes électriques aient des vitesses si proches.
Cette similarité pourrait correspondre à un très fort couplage entre des propriétés électriques et mécaniques.
Les neurones ne seraient-il pas des petits transducteurs piézoélectriques ? … »
Les neurones peut être, mais plus sûrement encore les protéines des mémoires.
Quel dommage que Mathias Mink ne semble pas savoir que les protéines sont ferroélectriques, donc piézoélectriques, mais c’est normal puisque presque tout le monde l’a oublié.
Pour une exception à cet oubli, voir les travaux de Jiangyu Li décrits dans mon article Notre mémoire ferroélectrique
« … Si oui, [ces petits transducteurs piézoélectriques] pourraient être à la fois des haut-parleurs que des microphones ». Notre hypothèse est la suivante : certains échanges d’informations entre neurones utiliseraient des ondes de cisaillement.
Or dès 1950 il a été observé que quand un neurone est stimulé sa membrane bouge de quelques nanomètres, selon le même principe que le haut-parleur."
Les faisceaux de microtubules constitutifs de l’axone du neurone étant des protéines il n’est pas inattendu qu’elles se déforment sous l’action d’un champ électrique, même si ces protéines sont de « structure », donc moins intrinsèquement désordonnées que les protéines de « signalisation ».
Quand à la myéline qui entoure les axones, elle est constituée de bicouches lipidiques à l’état de cristal liquide, sa dilatation se fera dans le sens "état liquide" en faisant glisser les feuillets les uns sur les autres, donc facilement de quelques nanomètres.
« Et dans l’autre sens, les neurones sont-ils des microphones, c'est-à-dire « entendent-ils » des sons ? Cela semble être le cas quant les neurones sont stimulés par certains ultra-sons »
Ces deux observations, modification de la membrane et stimulation par des ondes, conduisent Mathias Mink à cette autre hypothèse : « les neurones jouent un rôle entre émission et réception ».
Et en franchissant une étape conceptuelle de plus, il ajoute : « il y a une véritable biologie ondulatoire et les ondes de cisaillement jouent un rôle essentiel dans le corps humain : si vous mettez un petit microphone, ou petit accéléromètre, dans un cerveau, il y a du bruit sans arrêt. Et si vous regardez ce qui se passe quand il y a une crise épilepsie, ce n’est pas un petit bruit mais un grand bruit…
Un stress mécanique [le cisaillement conféré par certaines ondes] se transforme en activité électrique. …
Il y a une explosion de choses à faire derrière ça »
Apparemment, l’explosion de choses scientifiques n’a pas encore commencé !
Dans sa conclusion Mathias Mink plaide pour des équipes pluridisciplinaires.
« Dans notre labo, on fait de l’optique, des mathématiques, de la biologie, de la médecine, du multimédia, des télécoms et la physique archi fondamentale … la pluralité est une grande source d’innovations »
Je ne peux qu’applaudir à ce plaidoyer puisque je classe l’absence de vraie pluridisciplinarité dans les principaux obstacles à l’innovation
Il ne manque à l’équipe de Mathias Mink que des biophysiciens des protéines, mais il est vrai que c’est une espèce en voie de disparition !
Le vecteur correspondant au champ électrique des protéines de mémoire permet de paramétrer des données sur cinq dimensions plus une dimension binaire.
Des données floues permettent d’intégrer un beaucoup plus grand nombre d’informations que des données « précises »
Un espace aussi réduit qu’un cerveau est suffisant pour emmagasiner des données vectorielles et floues.
L’écho qui apparaît dans un cylindre d’un matériau ferroélectrique (du nobiate de lithium) met en évidence l’importance de la
compartimentation, comme celle sépare chaque protéine de mémoire.
L’ensemble des protéines de mémoire serait comparable à un orchestre.
La perte de mémoire du cylindre par une augmentation de température est-elle semblable aux modifications biologiques qui peuvent modifier l’agencement des protéines de mémoire