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Chercheur : Roger Penrose - beyond algorithms Chercheur : Stuart Hameroff Chercheur : Niels Bohr

La discussion (informelle) des modèles en (neuro)science


Le célèbre théorème d'incomplétude en mathématique, ou «théorème de Gödel», énoncé par Kurt Gödel (1906-1978), joue un rôle dans la théorie de Penrose. Ce théorème montre qu'aucun système d’axiomes n'est assez puissant pour générer toutes les vérités mathématiques. Selon Penrose, cela montre que l'esprit humain doit avoir des capacités non-algorithmiques allant au-delà des axiomes et des règles. En effet, l'esprit humain peut reconnaître comme vraie les parties de l'arithmétique qui transcendent les systèmes d'axiomes.

Tous les logiciens ne sont pas d'accord avec cette interprétation, mais cela n'empêche pas Penrose de suggérer que cet aspect non algorithmique de la conscience vient de ses connexions avec la physique quantique.


Qu'est ce qui rend des phénomènes quantiques comme la superposition d'état et l'effondrement de la fonction d'onde si étrange et contre intuitifs à nos yeux ? Plusieurs pensent que ce n'est pas parce que c'est foncièrement plus difficile à comprendre qu'autre chose. Pour le dire d'une manière un peu caricaturale, la difficulté viendrait surtout du fait que le cerveau humain a d'abord évolué pour dire à d'autres êtres humains qu'il y avait de bons fruits et de l'eau à tel endroit, pas pour étudier les particules élémentaires.


Karl Pribram a élaboré un modèle «holographique» du fonctionnement du cerveau inspiré de la découverte des premiers hologrammes au milieu des années 1960. Dans un hologramme, l'ensemble des informations enregistrées sous forme de patterns d'interférence sur chaque fragment du support photographique permet de reconstituer l'ensemble de l'image et donc d'en offrir une vue globale en trois dimensions. Par analogie, Pribram pense que la mémoire ne serait pas stockée dans les cellules à des endroits précis du cerveau, mais contenue dans les motifs d'interférences des ondes qui le parcourent.

Développé avec le physicien quantique David Bohm, ce modèle suggère entre autre que la conscience pourrait émerger par le traitement de l'information entre dendrites et que les potentiels d'action le long des axones seraient plutôt derrière nos activités non conscientes.

Lien : THE HOLOGRAPHIC BRAIN Lien : Consciousness Reassessed Lien : Karl Pribram, cerveau et univers holographiques Chercheur : Karl Pribram
Lien : Bohm's Gnosis: The Implicate Order Lien : Interview with David Bohm 1917-1992 Lien : La fabrication des hologrammes Lien : Holography
DES EFFETS QUANTIQUES À LA BASE DE LA CONSCIENCE?

On peut distinguer deux grands niveaux d'explication en physique : le niveau familier que nous utilisons tous les jours pour décrire les objets à grande échelle; et le niveau quantique utilisé pour décrire l'infiniment petit gouverné par l'équation de Schrödinger. Ces deux niveaux sont complètement déterministes et calculables. Toutefois, au niveau quantique, des états superposés sont possibles, alors qu'à notre niveau macroscopique, un seul de ces multiples états ne peut exister. Ce qui explique pourquoi, quand nous faisons une observation à notre niveau familier, les niveaux superposés doivent «s'effondrer» en une seule et unique possibilité.

C'est en s'appuyant sur cette interprétation classique de la mécanique quantique que des physiciens comme Wigner en sont venus à une proposition étonnante, à savoir que c'est la conscience qui pourrait provoquer cet effondrement de la fonction d'onde et déterminer ainsi les contenus conscients. Plusieurs auteurs comme Henry Stapp ont par la suite élaboré des modèles sophistiqués autour de cette idée. Mais d'autres, comme le physicien et mathématicien anglais Roger Penrose, prennent leurs distances d'avec ces interprétations conventionnelles de l'effondrement de la fonction d’onde. Pour Penrose, elles ne sont que des approximations qui devront être raffinées par des développements futurs de la théorie quantique.

C'est donc dans cette optique qu'il propose sa théorie de la « réduction objective ». Il s'agit d'un nouveau processus décrit comme étant de nature gravitationnelle mais non locale, c'est-à-dire avec la possibilité d'effets à distance. Pour ces raisons, il serait capable de lier des choses éloignées dans l'espace, rendant possible une cohérence quantique à grande échelle et des phénomènes « non computables » que notre cerveau pourrait exploiter.

Mais où exactement ces phénomènes pourraient-ils avoir lieu dans notre cerveau ? Penrose s'appuie ici sur la proposition de l'anesthésiologiste américain Stuart Hameroff selon laquelle la conscience émerge de la cohérence quantique au niveau des microtubules. Ces derniers sont, comme leur nom l'indique, de minuscules petits tubes faits de protéines que l'on retrouve dans toutes les cellules de notre corps, y compris les neurones. Les microtubules forment en quelque sorte le cytosquelette des cellules, participent à la division cellulaire ainsi qu'au transport des organites à l'intérieur des cellules.

Les microtubules sont composés de dimères de tubuline dont l’enroulement en spirale produit un petit tube d'environ 25 nanomètres de diamètre. Ces molécules de tubuline peuvent être dans deux états différents, soit allongé soit contracté, ce qui pourrait provenir, selon Hameroff, d'une superposition d'états quantiques.

Penrose et Hameroff s’intéressent aux microtubules parce que leur petite taille et leur structure protéinique en spirale fournirait les conditions essentielles pour orchestrer les effondrements quantiques. Les processus de cohérence quantique doivent en effet demeurer raisonnablement isolé de l’environnement extérieur pour se produire, une condition que rempliraient selon eux les microtubules.



Ce modèle pourrait expliquer, affirment leurs auteurs, plusieurs caractéristiques fondamentales de la conscience. La possibilité d'effets à distance de la « réduction objective » pourrait ainsi rendre compte de l'unité de la conscience et l'indétermination quantique serait à l’origine du libre arbitre.

Penrose ajoute que sa théorie pourrait même aider à comprendre les étranges résultats de l'expérience de Libet. Car pour lui, lorsque le raisonnement classique au sujet de la séquence temporelle des événements nous mène à des conclusions contradictoires (comme d'avoir l'impression d'influencer le passé pour des échelles de temps de l'ordre de la demie seconde), cela constitue à ses yeux une forte indication que des effets quantiques sont à l'œuvre.

Le modèle de Penrose et Hameroff a subi de sérieuses critiques, notamment des philosophes Rick Grush et Patricia Churchland. Ces derniers soulèvent plusieurs objections qui les amènent à rejeter le modèle dans son ensemble. Ils rappellent d'abord que les microtubules se retrouvent dans toutes les cellules animales et végétales, et pas seulement dans les neurones du cerveau humain. Ils affirment aussi que des substances chimiques qui sont connues pour détruire les microtubules semblent ne pas avoir d’effets importants sur la conscience. Ils rappellent que plusieurs substances anesthésiantes agissent sans affecter les microtubules. Et soulignent finalement qu’il n'y a aucune évidence que les microtubules sont impliqués dans d'autres phénomènes provoquant des changements majeurs dans les états de conscience comme le cycle éveil – sommeil.

Au plan strictement de la physique, une critique classique est celle de Max Tegmark qui affirme que la température est trop élevée dans le cerveau pour que les particules élémentaires demeurent dans des états superposés suffisamment longtemps pour que les processus neuronaux puissent en bénéficier. Grush et Churchland ajoutent que les microtubules ne peuvent atteindre les conditions de pureté et d'isolation requis par la théorie de Penrose. Pas plus, selon eux, que les effets quantiques ne pourraient être transmis d’un microtubule à l'autre comme il le faudrait pour expliquer l'unité de la conscience. La théorie de Penrose ne fournit pas non plus d'explications valables aux yeux de Grush et Churchland sur la manière dont les effets quantiques pourraient interagir avec les neurones ou les neurotransmetteurs quand les microtubules sont supposés être isolés de leur environnement.

Une autre objection s'adresse à l'une des forces du modèle de Penrose et de Hameroff qui est, selon ses auteurs, de pouvoir rendre compte de l'unité de la conscience. Mais si cette impression de l'unité de notre conscience s'avérait une illusion comme d'autres le croient, encore une fois les explications fondées sur la non localité et la cohérence quantique perdraient de leur pertinence.

D'autres se sont demandés si la théorie de Penrose et Hameroff avait finalement vraiment quelque chose à voir avec la conscience ou si elle ne se contentait pas de remplacer le mystère de l'expérience subjective par un autre mystère, celui de la cohérence quantique dans les microtubules.

Grush et Churchland sont même allés jusqu'à se demander si la popularité du modèle de Penrose et Hameroff ne viendrait pas du fait que la réduction de la conscience à de simples corrélats neuronaux a toujours eu quelque chose de dégradant pour certaines personnes alors que l'alternative quantique permet de conserver une part de mystère réconfortant dans la conscience.

Ceci dit, il est de mise de rappeler ici une célèbre citation de Niels Bohr. Le père de la physique quantique et professeur de Werner Heisenberg dit un jour à un jeune physicien : « Nous reconnaissons tous que votre théorie est folle. La question qui nous divise est de savoir si elle est assez folle pour avoir une chance d'être vraie. »

Une autre approche impliquant la physique quantique remonte aux travaux de Ricciardi et Umezawa dans les années 1960. Elle consiste à traiter les états mentaux, particulièrement les souvenirs, en terme « d'états de vide du champ quantique » (« vacuum state of the quantum field », en anglais). L'hypothèse tient compte des travaux en neurobiologie de la conscience dans la mesure où ce sont des assemblées de neurones correspondant à des contenus de mémoire qui sont considérées comme ces « états de vide ». Et ce serait leur activation, initiée par des stimuli extérieurs, qui mènerait à des états d'excitation permettant la remémoration du contenu de mémoire encodé dans « l'état de vide ».

Comme si cela n'était pas déjà assez compliqué, Giuseppe Vitiello a bonifié cette hypothèse à partir du milieu des années 1990 pour y inclure les notions de structure dissipative, de chaos et de bruit quantique. Le fait que le cerveau est un système ouvert en constante interaction avec son environnement serait ici à l'origine de ses grandes capacités mnésiques. Mais des ambiguïtés conceptuelles, notamment entre les états mentaux et matériels de ce modèle, demandent à être clarifiées.

Lien : Quantum Field Theory Lien : PHYSIQUE QUANTIQUE DES CHAMPS Lien : États comprimés - Bruit quantique standard Lien : My Double Unveiled. The dissipative quantum model of brain Lien : Trying to understand Giuseppe Vitiello's ideas on the dissipative quantum brain


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