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Von Neumann L’ordinateur et le cerveau

Points de repère

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L’ordinateur et le cerveau ( 1958 ).

Source « L’ordinateur et le cerveau », suivi de « les machines molles de Von Neumann », 1992.

John Von Neumann est mathématicien hongrois. Il fut l’un des fondateurs des neurosciences ( modélisation du cerveau par les mathématiques ), l’informatique, et l’investigation physico-chimique. On lui doit la construction de la théorie de l’informatique ( appelée architecture de Von Neumann ), qui distingue le hardware ( quincaillerie ) et le software ( logiciel ).

Dans ce texte, Von Neumann s’intéresse au matériel, le fonctionnement microscopique réel du cerveau. Von Neumann compare ici la structure du cerveau et celle de l’ordinateur. Dans ses similitudes et différences. On n’abordera pas ici les comparaisons chiffrées ( en capacité de traitement, et en volume de composants  électroniques des transistors) puisqu’elles ont largement évoluées depuis l’écriture du texte.

Description simplifiée des fonctions du neurone.

« Le composant de base est la cellule nerveuse, le neurone. Sa fonction est d’engendrer et de propager un influx nerveux. Ce processus d’influx comporte une variété d’aspects : électriques, chimiques, mécaniques.

La cellule nerveuse consiste en un corps dont partent directement ou indirectement un ou plusieurs branches. Ces branches sont appelées axones de la cellule.

L’influx nerveux est un changement continu, qui se propage habituellement à une vitesse fixe, le long de l’axone : la perturbation électrique a un potentiel de l’ordre du 50 mVolt, et d’une durée environ d’1 ms. »

Il ne s’agit pas que de perturbation électrique, mais aussi de changement :

–         Chimique : la constitution du fluide intercellulaire change.

–         Electro chimique : les propriétés des parois de l’axone, la membrane, change : conductivité, perméabilité.

–         Mécanique : les changements des différentes perméabilités ioniques produisent une réorientation de ses molécules ( par des changements mécaniques ).

« Ces changements sont réversibles : quand l’influx a passé, toutes les conditions qui prévalent le long de l’axone et toutes ses parties constituantes reviennent à leurs états initiaux ».

Tous ces changements ont lieu à l’échelle moléculaire ( l’épaisseur de la membrane de quelques dizièmes de micron 10-5 cm ), et les distinctions chimiques, électriques et mécaniques peuvent se confondre et interagir entre eux.

Le processus de stimulation.

Le processus d’induction ( la stimulation d’un influx nerveux ) peut réussir ou échouer. « Si elle échoue, une perturbation passagère se produit d’abord, mais après quelques millisecondes, elle s’éteint. Dans ce cas, il ne se propage pas de perturbations le long de l’axone. Si elle réussite, la perturbation prend très vite une forme standard, et c’est sous cette forme qu’elle se propage le long de l’axone. Les récepteurs de stimulations sont appelés dendrites. La stimulation lorsqu’elle vient d’une autre impulsion émane d’une terminaison spéciale de l’axone, la synapse.

Caractère digital de l’impulsion.

« Il est clair qu’on peut considérer les impulsions nerveuses comme des marqueurs ( à 2 valeurs ) au sens discuté précédemment : l’absence d’une impulsion représente alors une valeur ( disons le chiffre binaire 0 ) ,et la présence d’une impulsion l’autre valeur ( disons le chiffre binaire 1 ).

« Le neurone est donc un organe qui reçoit et émet des entités physiques définies, les impulsions. En règle générale, cette impulsion est conditionnelle, c’est-à-dire que seules certaines combinaisons et synchronismes d’impulsions primaires de ce type stimulent l’impulsion secondaire en question. Sinon il n’émettra rien. Cette description correspond à toute évidence à celle du fonctionnement d’un organe dans une machine digitale.

Stimulation par d’autres impulsions nerveuses.

La sortie normale d’un neurone est l’impulsion nerveuse standard. Elle peut être induite par diverses formes de stimulation, y compris par diverses formes de stimulations, y compris d’une ou d’autres impulsions venues d’autres neurones. D’autres sources possibles de stimulation sont les phénomènes du monde extérieur, auxquels le neurone est sensible ( comme la lumière, le son, la pression, la température ), et les changements physiques et chimiques intervenant dans l’organisme à l’endroit où le neurone se trouve stimulé.

Logiques élémentaires ET / OU.

Si un neurone entre en contact par les axones de 2 autres neurones ( par l’intermédiaire de leurs synapses), et si la condition minimale de stimulation de ce neurone est qu’interviennent 2 impulsions simultanées, alors nous dirons que ce neurone est en fait un organe conjonctif ( ET ) : il effectue l’opération logique de conjonction ( verbalisé par « et » ), puisqu’il ne répond que quand ses stimulateurs sont simultanément actifs. Si, d’un autre côté, la condition minimale est seulement l’arrivée d’une impulsion (au moins), le neurone est un organe disjonctif ( ou ) , c’est-à-dire qu’il effectue l’opération logique de disjonction ( verbalisé par « ou ») ; puisqu’il répond quand l’un ou l’autre de ses stimulateurs est actif.

« et » et « ou » sont les opérations de base de la logique. Avec l’opérateur « non », elles permettent de déduire toutes les autres opérations logiques.

Une stimulation plus complexe, limite du cerveau à l’ordinateur.

Van Neumann précise lui-même que ce fonctionnement est simplifié, et une idéalisation de la réalité.

« Certaines neurones ont des synapses avec les axones de nombres autres neurones. Dans certaines circonstances, plusieurs axones issus d’un seul neurone forment des synapses sur un autre. On voit donc que les stimulateurs possibles sont nombreux, et que les structures de stimulation susceptibles d’être efficaces doivent être définies de manière plus complexe que dans les schémas de « et » et « ou » décrits ci-dessus.

S’il y a de nombreuses synapses sur un neurone :

1.      Le neurone réagira s’il reçoit un certain nombre minimal d’impulsions nerveuses ( pas forcément 2 dans le cas de « et »).

2.      Le neurone réagira en fonction des relations spatiales de ces synapses, en fonction qu’elles couvrent certaines zones, comme le corps du neurone, ou son système dendritique. Le seuil comme la présence d’un ensemble simultané d’impulsions stimulatrices n’est pas défini uniquement comme un nombre minimal à franchir, mais plus complexe.

3.      Récepteurs externes / internes.

La stimulation des récepteurs peut être l’intensité minimale de l’agent stimulant ( intensité minimale de la lumière, augmentation de la température ).

Cependant il ne s’agit pas de niveau minimal qui entre en jeu, mais à un changement.

Exemple du nerf optique : de nombreux neurones répondent à un changement d’éclairage ( dans certains cas de la lumière à l’obscurité ) et non à l’intensité minimale de la lumière. C’est l’augmentation ou la diminution qui fournit le critère de simulation ( id est la valeur de sa dérivée et non sa valeur ).

4.      Au-delà de l’aspect digital du cerveau humain, certaines complexités jouent aussi du cerveau humain ; certaines complexités jouent ainsi un rôle analogique, ou en tout cas « mixte ». Des effets électriques globaux peuvent influencer le fonctionnement du système nerveux. « Il se pourrait que certains potentiels électriques généraux jouent un rôle important et que le système réponde globalement aux solutions des problèmes potentiels théoriques.. Problèmes moins élémentaires que par des critères digitaux explicités plus hauts ». Néanmoins, comme le système nerveux est d’abord digital, de tels effets, s’ils sont réels, interagiraient probablement avec des effets digitaux. De sorte que l’on se trouverait en présence d’un système « mixte » plutôt qu’un système purement analogique ou digital.

Norbert Wiener ou la cybernétique pour un monde mieux communiquant

Plus loin

Point de repère

Pourquoi la cybernétique ?

L’apport de Wiener dans les sciences de l’information est intéressant, car il met en lumière les concepts clés de la communication. Norbert Wiener s’intéresse aux échanges d’information autour de l’objet  ( et l’être humain ) plutôt que le contenu de l’objet  (ou la pensée de l’être humain ). Il introduit la cybernétique : le pilotage des messages dans leur efficacité. Il applique ces concepts autant aux machines qu’à la société humaine en général. « vivre, c’est communiquer efficacement ». L’homme est un réseau de communication. Et mieux vivre ensemble, c’est mieux communiquer.

Pendant la seconde guerre mondiale, Norbert Wiener travaille sur l’amélioration des batteries anti-aériennes afin de les automatiser. 2 points importants à évoquer. D’une part, anti militariste, il refuse de travailler sur le projet Manathan ( la mise au point de la bombe atomique ). Cela expliquera la démarche du scientifique plus tard.

D’autre part, son travail sur les batteries anti-aériennes définit clairement la cybernétique. Ou l’art de « gouverner », ou de piloter. Ses recherches consistent à pouvoir définir de manière prédictive la position d’un missile ou bombe, en fonction de sa trajectoire.

Rétroaction et information

R. Wiener introduit la notion de rétroaction, concept clé de la cybernétique.

Comme le missile anti balistique, Norbert Wiener prend l’exemple du canonnier qui doit ajuster la mesure de l’huile de son canon afin d’atteindre une cible. En fonction de la où tombe le projectile, le canonnier augmente ou pas la quantité d’huile du canon. Il effectue ce réajustement jusqu’à ce que le projectile atteigne sa cible. Comme le mouvement du chaton qui s’ajuste pour au final attraper une pelote de laine.

Ce principe de rétroaction vaut aussi bien pour les machines ( portes automatiques qui en fonction d’un capteur ouvre ou ferme au bon moment les portes, via un capteur ) que l’être humain. Les recherches de N. Wiener, si elles s’intéressent à la machine et l’homme,  les mettent au même plan :

  • La machine/l’homme  capte des signaux via un capteur ( photo sensoriel  par exemple ). ( Input ).
  • Renvoie un signal ( Output ) ( fermeture de la porte / mouvement corporel du bras ).
  • Via un programme (  calcul en fonction de paramètres ).
  • Les paramètres nécessaires au programme sont le signal reçu (input) et des variables intermédiaires  stockées ( permettant de gérer la rétroaction au fil du temps ). Il s’agit de la mémoire.

L’homme comme la machine sont vus comme une « boîte noire ». Toute la recherche de N. Wiener est de s’intéresser aux échanges entre les Entrées/Sorties, plutôt qu’à son contenu. ( L’intelligence artificielle procède de ce fonctionnement ).

« L’homme est plongé dans un monde qu’il perçoit par l’intermédiaire de ses organes. L’information qu’il reçoit est coordonnée par son cerveau et son système nerveux, jusqu’à ce que, après le processus convenable d’emmagasinement, de collation, et de sélection, elle soit diffusées à travers des organes de l’action, ses muscles généralement ».

L’intérêt d’une information ou d’un signal réside dans son efficacité et son contrôle, afin de réaliser au mieux l’action , le résultat souhaité.

Pilotage de l’information contre un monde en dégénérescence.

Comme on l’a vu précédemment , l’information est destinée à adapter le processus d’une machine à sa finalité.

Le corps humain utilise ce mécanisme de rétroaction, par l’homéostasie.

L ‘homéostasie est la capacité à un système ( dont le corps humain ) à conserver son état d’équilibre. Par exemple, le corps humain opère en permanence à conserver une température de 37 degrés. Toute anomalie ( extérieure ou intérieure au corps ) est compensée ( par le déclenchement de sueur, de modification de la peau ) pour rester à cet état stable. Cette lutte et résistance aux modifications, aléas extérieur est permanente.

La vie d’ailleurs en général  est une lutte contre l’aléa qui la menace, et la dégénérescence. Se nourrir, se battre , résister contre le désordre du monde extérieur.

L’ époque de N.Wiener  d’après guerre influe beaucoup sur ces réflexions. Le monde d’après- guerre ( la bombe atomique, la guerre froide) inspire une explosion de signaux inquiétants, propre à plonger le monde dans le chaos. Les recherches sur l’entropie, où le système physique finit dans un monde d’instabilité maximale pousse N. Wiener à s’intéresser sur ce qui justement va réduire l’incertitude. La communication permettant les échanges entre êtres humains est primordiale, et la piloter efficacement permettra à une meilleure régulation entre les peuples et établir la paix.

L’information est en ce sens l’inverse de l’entropie ( et du chaos ). On notera qu’on retrouve ainsi la définition actuelle de l’information, propre au développement de l’informatique ( information inversement proportionnelle à la probabilité de l’événement ).

« Information est un nom pour désigner le contenu de ce qui est échangé avec le monde extérieur à mesure que nous nous y adaptons et que nous lui appliquons les résultats de notre adaptation. »

« Le processus consistant à recevoir et à utiliser l’information est le processus que nous suivons pour nous adapter aux contingences du milieu ambiant et vivre efficacement dans son milieu ».

On notera ainsi que l’information a un contenu ( message ), mais n’a d’intérêt que si elle permet de s’adapter au monde :

  • Efficacité d’une information ( vs « bruit parasite » , probabilité de l’information ).
  • Vivre c’est communiquer ou échanger. L’homme en ce sens n’a plus de substance, mais il est remplacé par des modèles ( patterns ) stables sous le flot d’information et d’énergie. ( l’homme est un « tourbillon plus proche de la flamme que de la pierre » )