19. Notre mémoire probabiliste et … quantique ?
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Cet article est le 19ème d’une série qui revisite Notre mémoire.
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La complexité du cerveau nous projette dans l’étrangeté et le mystérieux.
Un probabilisme dans le cognitif a déjà été observée dans les années soixante.
Un vecteur ferroélectrique serait-il « quantique » quelque soit le matériau qui forme ce vecteur? dans ce cas il serait « quantique » à la température du corps !
Faudra-t-il inventer une « physique du mnésique » ? La biologie se situerait-elle à la frontière entre la physique quantique et la physique classique ?
Une physique d'un vecteur hystérétique sera-t-elle celle de notre mémoire ? comme pourrait le suggérer le « memcomputing » ?
Les protéines de mémoire sont-elles capables de « stabiliser » des spins électroniques intriqués, que le passage d’un influx nerveux suffisant modifierait ?
Les étranges superpositions dont notre cerveau est capable sont-elles quantiques ? de même que la détection des odeurs.
« Il suffit de s’intéresser d’un peu près aux sciences de la nature pour percevoir les limites de ce qu’on sait, et l’ampleur de ce qu’on ignore. Quoi de plus mystérieux que la mécanique quantique ? »
Savoir qu’on croit. Le goût de vivre. Chez Le livre de poche
« Dès que l’ont considère des systèmes complexes il faut faire intervenir des systèmes d’organisation de la matière qui ne se réduisent pas à la somme de simples effets microscopiques »
Déclarait Serge Haroche, (Prix Nobel de physique, 2012) lors de sa leçon inaugurale au Collège de France, retransmise sur les ondes de France Culture.
Quoi de plus complexes que des systèmes vivants ?
Même si un organisme vivant est isolé sous l’objectif d’un microscope, , ou sur le divan d’un psychanalyste, le simple fait qu’il soit vivant lui donne une complexité supplémentaire et transcendantale puisqu’il possède en lui-même :
1°- la potentialité d’extraire de son environnement et à son profit de l’énergie d’ordre (entropie), pour y rejeter une forme d’énergie moins ordonnée ;
2° - la potentialité de continuer la vie par sa descendance. Sinon son espèce disparaîtrait.
3° - la potentialité d’évolutions, de changements, d’adaptations et/ou de conquêtes de nouveaux écosystèmes qui lui sont, par définition, inconnus.
Cet organisme vivant sera-t-il le premier représentant d’une nouvelle espèce ? ou sera-t-il, tout en restant dans la même espèce, un être vivant mieux adapté qui pourra transmettre cette adaptation, voire sa culture, à sa descendance ?
La mécanique classique suffit pour l’extraction d’ordre énergétique du 1° ; quoique :
la photosynthèse des chloroplastes <-
et la phosphorylation oxydative des mitochondries recevraient pour leur compréhension une aide précieuse de la mécanique quantique. Il faut ajouter que l’entropie (l’énergie de l’ordre) peut être vue sous l’angle statistique, probabiliste.
… de même que le 2°, voir par exemple : L'expression des gènes : la révolution probabiliste
… et le 3°, voir par exemple : La part d'aléatoire dans l'évolution
Le flou, la plasticité, le protéiforme, l’aléatoire, le probabilisme, le non reproductible, l’étrangeté, …, font partie de cette complexité qu’il est difficile de réduire à de simples sommes d’effets, microscopiques ou même de populations.
… surtout si la somme est réalisée selon une cette logique cartésienne dans laquelle nous avons été formatés.
Présenter le cerveau comme un système probabiliste fera bondir tous les tenants du tout déterminisme, il reste encore des émules d’Auguste Comte !
En son temps, Ramon y Cajal a été confronté à une opposition semblable pour sa plasticité, comme Werner Heisenberg quand il proposa son principe d’indétermination.
… Peu de travaux font référence à une association “Plastic and Probabilistic”
J’ai quand même noté celui de Catherine Havasi et Jesse Snedeker (qui semblent plus ou moins liées au MIT, Cambridge, USA) : The Adaptability of Language Specific Verb Lexicalization Biases. Le titre en dit long sur les applications potentielles …
Serge Haroche ajoute :
« Je ne pense pas que la physique quantique n’ait grand-chose à dire pour décrire les mécanismes cérébraux »
Sa connaissance irréfutable en physique quantique laisse penser qu’il a raison.
Mais alors, si ni la physique « classique » ni la physique quantique ne permettent pas d’appréhender les mécanismes cérébraux, faudra-t-il inventer une physique spéciale ? Une "physique du mnésique"
« Une nouvelle physique quantique » comme le suggère Laurent Sacco dans son article
Une « physique des mécanismes cérébraux » ou une « physique du vivant » mesurera-t-elle l’ampleur de ce qu’on ignore ?
Ne faudrait-il pas commencer par accepter une physique ferroélectrique qui, faut-il le rappeler, est aussi celle de la plasticité, du flou ?
En attendant, comme toute science commence par l’observation, il est possible de repérer quelques étrangetés et de se laisser aller au plaisir des spéculations.
Étrangeté :
« Caractère de ce qui est étrange, bizarre, surprenant, inhabituel. L'étrangeté d'une condition, d'un site. »
Un des exemples cités par le CNRTL :
« Une phrase (...) où l'étrangeté de la forme masque la banalité de la pensée »
… nous oblige à une question : « n’il y aurait-il pas des banalités à découvrir sous l’étrangeté du Vivant » ?
Toujours selon le CNRTL : « étrange »
Spéc., PHYS. NUCL. Particule étrange. Particule fondamentale dont le comportement reste inexpliqué et qui a une étrangeté non nulle
Faute de pouvoir expliquer un comportement, il est tentant de lui donner le qualificatif de « étrange »,
… et de le mettre sous un coin de tapis.
… c’est exactement ce qui a été fait pour les quanta de Potentiels postsynaptiques excitateurs …
Voir 18. Annexe : Potentiel postsynaptique excitateur
… observés par Bernard Katz et présentées comme un phénomène spontané et probabiliste
Ces séquences sont observables sur une cellule nerveuse qui est directement connectée avec un muscle et commande sa contraction (motoneurone).
L’étrangeté a augmenté d’un cran quand des études ultérieures montrèrent que les séquences de PPSE spontanés ne se retrouvent pas dans les synapses de l'hippocampe
(Références dans l’article de George Augustine et Haruo Kasai)
L’absence d’universalité a poussé l'étrangeté des minis un peu plus loin sous le tapis.
Les Potentiels postsynaptiques excitateurs spontanés de Katz n’ont qu’une très faible amplitude, d’environ un centième de celle des PPSE « normaux », ce qui leur a donné le surnom de « minis ».
Les potentiels post synaptiques étant additifs, les « minis » de Katz augmentent-ils la chance que la cellule postsynaptique atteigne le seuil de déclenchement d'un potentiel d'action ?
Voir 18. Annexe : Potentiel postsynaptique excitateur
Peut-être.
La probabilité que les minis déclenchent un potentiel d’action « s’ajoute » à la probabilité de la valeur du seuil, qui elle-même semble très floue ...
Si vous consultez Wikipédia à Ferroélectricité, vous lirez dans l’introduction :
« Il fallut attendre les années 1990 pour voir émerger une théorie quantique de la ferroélectricité »
…mais la section est … vide !
“Ferroelectric Quantum” apparaît pour quelques articles concernant des cristaux comme dans :
Applications of Modern Ferroelectrics
où on retrouve au passage un auto-assemblage comme dans les nanotubes et des compartimentations.
L’auteur rappelle que la ferroélectricité permet des réponses ultrarapides et qui se produisent à la température de la pièce.
Inutile d’être proche du zéro absolu pour faire parler la ferroélectricité
Dans sa thèse sur l’Étude de la coexistence du magnétisme et de la ferroélectricité dans les composés multiferroïques BiFeO3 et Bi0.45Dy0.55FeO3. Matériaux. Université Paris Sud - Paris XI, 2007, Delphine Lebeugle signale que « Le moment dipolaire [ferroélectrique] peut être estimé à partir de calculs théoriques de densité électronique … elle est la seule à déterminer entièrement l'énergie du système… C'est une des méthodes les plus utilisées pour les calculs quantiques de structure électronique en sciences de la matière condensée. » Merci Delphine !
Finalement, au moins pour moi, l’avancée la plus probante ves la ferroélectricité quantique est l’observation, fortuite, des physiciens de l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
Voir l’annexe : « memcomputing »
Leur (excellente) idée était d’utiliser des matériaux ferroélectriques pour fabriquer des supports de mémoire destinés l’informatique.
Dans la phase de miniaturisation,
« lorsqu'ils ont commencé à réduire la taille des domaines, le contrôle de leur polarisation a commencé à leur échapper en formant spontanément plusieurs domaines dans des régions adjacentes à celles où les physiciens tentaient d'écrire l'équivalent d'un « 0 » ou d'un « 1 » nous rapporte Laurent Sacco.
(Notons au passage de l’importance de la compartimentation en « domaines », elle-même liée à anisotropie du matériau ferroélectrique voir 11. Notre mémoire, les domaines et l’écho ferroélectrique)
« Ce qui est fascinant, selon les chercheurs, c'est que les neurones du cerveau humain semblent faire du memcomputing »
Plus que fascinant, c'est génial !
Si la « taille des domaines » de l'Oak Ridge National est seulement égale ou supérieur à celle des « domaines » des tores protéiques de mémoire (ce qui est probable),
a fortiori les vecteurs ferroélectriques de mémoire passeraient dans le domaine de l'étrangeté.
L’épiphanie du damier serait-elle également celle de l'étrangeté de Notre mémoire ?
Les étrangetés observées à Oak Ridge sont apparues au cours d’une « réduction des domaines ».
Mais il ne semble pourtant pas que cette réduction ait atteint le niveau atomique.
Or l’épiphanie de la physique quantique est censée n’apparaître qu’à l’échelle atomique, et même plutôt aux échelons en dessous.
Une physique de la ferroélectricité, ou une version quantique de la ferroélectricité, se révèle-t-elle à partir d’une certaine répartition vectorielle de « densité électronique », même si le domaine est moléculaire, comme un cristal ferroélectrique ...
... voire macromoléculaire, comme une protéine de mémoire (au dipôle électrique hystérétique) .
Un vecteur ferroélectrique serait "quantique" quelque soit le matériau qui forme ce vecteur
La « densité électronique » est complexe (voir schéma ci-dessus). Les charges négatives correspondantes à un électron supplémentaire sont plus ou moins marquées (plus rouge d'après la bande colorée), il en est de même pour le déficit d’électron (plus bleu)
Plus le domaine serait « intrinsèquement désordonné », plus l’étrangeté serait marquée.
Et à température du corps !
Inutile d’être proche du zéro absolu pour faire parler la ferroélectricité des protéines de mémoire
Et si la biologie se situait à la limite entre le monde classique et le monde quantique ? et que la nature ait prévu un passage de l’un à l’autre ?
simplement par une gestion des domaines
notamment par le placement des protéines contre/dans la membrane plasmique ou dans le cytosol cellulaire (par trans-localisation),
Ou plutôt une juxtaposition du classique et du quantique, comme la lumière est à la fois corpusculaire et ondulatoire.
Dans un précédent article (Île.89 – § Un oiseau quantique), j’avais repris l’hypothèse de Thorsten Ritz selon laquelle la rétine de l’œil d’un rouge-gorge migrateur contient un « système » dans lequel deux électrons forment une paire intriquée de spin total nul. Quand ce système absorbe un photon de lumière, les électrons reçoivent assez d’énergie pour se séparer et devenir ainsi sensibles au champ magnétique terrestre. Si le champ magnétique est incliné, il affecte différemment les deux électrons, créant un déséquilibre qui modifie la configuration d'une protéine et le signal envoyé au cerveau.
Selon Thorsten Ritz la modification serait chimique et créerait "deux systèmes distincts". Mais la modification du champ électrique d'une protéine peut directement générer un signal piézo-électrique envoyé par le nerf optique.
Chaque protéine de mémoire constituerait un « système » dans lequel deux électrons forment une paire intriquée de spin total nul.
Le record de maintien d’un système artificiel de spins électroniques intriqués n’est que de quelque 50 microsecondes, le rouge-gorge semble naturellement pouvoir maintenir l’intrication au moins deux fois plus de temps.
La plasticité des protéines, notamment les plus « intrinsèquement désordonnées », comme les protéines de mémoire, permet-elle cette performance ?
(voir aussi Plasticité des protéines § Probabiliste)
La paire intriquée de spin total nul serait-elle localisée entre deux, ou plusieurs, molécules plates superposées. Comme par exemple entre les chaînes latérales d’acides aminés aromatiques, comme la tyrosine, la phénylalanine, le tryptophane, ou des nucléotides (souvent associés aux enzymes), etc.
Quand le système des protéines de mémoire reçoit assez l’énergie par le champ du potentiel d’action, ...
(serait-ce l'effet de seuil, celui qui est si flou ? )
... les électrons se séparent et deviennent sensibles au puissant champ électrique généré par les mêmes protéines de mémoire créant un déséquilibre qui modifie la configuration d'une protéine et génère par piézo-électricité un signal que le cerveau transforme en une information ?
Une des étrangetés de la physique quantique est la superposition, celle d’un chat à la fois vivant et mort et celle de deux électrons qui peuvent être à deux endroits à la fois.
Quelques exemples montrent que notre cerveau sait parfaitement superposer des informations fournies par nos sens :
- Comme des conversations croisées
La perception des odeurs fait partie des autres étrangetés que la physique classique peine à expliquer, par exemple qu’un chien puisse détecter une seule molécule odorante, et surtout qu'il puisse effectuer cette détection ceci immédiatement.
Comme la lumière, l’odeur serait-elle « portée » à la fois par une molécule et par une onde électromagnétique
Un autre exemple est le jugement provoqué par une odeur subliminale qui cesse quand l’odeur est perçue
Soeln une rcheerche fiat à l'Unievristé de Cmabridge, il n'y a pas d'iromtpance sur l'odrre dnas luqeel les lerttes snot,. La raoisn est que le ceverau hmauin ne lit pas les mtos par letrte mias ptuôlt cmome un tuot.
Ce flou dans l’ordre des lettres est à rapprocher des travaux effectués dans la même université par Gintare Karolina Dziugaite, selon lesquels « la compression, en simplifiant l’image, la débarrasse des caractéristiques inutiles que le réseau pourrait prendre en compte alors qu’elles ne sont qu’accidentelles. Ce lissage ramène à ce qui est essentiel dans l’image. »
Voir 08. Du flou dans la mémoire des visages
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