Notre cerveau est un réseau très complexe, avec environ 100 milliards de neurones et 100 trillions de synapses entre les neurones. Pour faire face à son énorme complexité, et comprendre comment le cerveau fonctionne et forme finalement notre esprit conscient, la science utilise des outils mathématiques avancés. Finalement, les scientifiques cherchent à comprendre comment un phénomène global tel que la conscience peut émerger de notre réseau neuronal.

Une équipe de physiciens de l'Université Bar-Ilan en Israël, dirigé par le professeur Shlomo Havlin et le professeur Reuven Cohen, ont utilisé la théorie des réseaux afin de faire face à cette complexité et de déterminer comment la structure du réseau cortical humain peut prendre en charge l'intégration de données complexes et l'activité consciente. La zone grise du cortex humain, les corps cellulaires des neurones, ont été scannés par IRM et utilisés pour former 1, 000 nœuds dans le réseau cortical. La substance blanche du cortex humain, les faisceaux de neurones, ont été scannés avec l'imagerie DTI, formant 15, 000 liens ou arêtes qui connectaient les nœuds du réseau. A la fin de ce processus, leur réseau était une approximation de la structure du cortex humain. La recherche a été publiée récemment dans Nouveau Journal de Physique .

Des études antérieures ont montré que le cortex humain est un réseau avec des propriétés de petit monde, ce qui signifie qu'il a de nombreuses structures locales et quelques raccourcis par rapport aux structures globales qui relient des zones lointaines (similaire à la différence entre les bus locaux et les trains de fond). Le cortex a également de nombreux hubs, qui sont des nœuds qui ont un nombre élevé de liens (comme les stations centrales), qui sont aussi fortement interconnectés entre eux, facilitant les déplacements entre les autoroutes de l'information du cerveau.

Selon Nir Lahav, l'auteur principal de l'étude, "Afin d'examiner comment la structure du réseau peut prendre en charge les phénomènes émergents mondiaux, comme la conscience, nous avons appliqué une analyse de réseau appelée décomposition en k-shell. Cette analyse prend en compte le profil de connectivité de chaque nœud, ce qui permet de découvrir facilement différents quartiers de connexions dans le réseau cortical, nous avons appelé des coquilles. » Le quartier le plus connecté du réseau est appelé le noyau du réseau. Lahav explique, "Au cours du processus, nous décollons différentes coques du réseau pour obtenir la zone la plus connectée du réseau, le noyau. Jusqu'à aujourd'hui, les scientifiques ne s'intéressaient qu'au noyau du réseau, mais nous avons découvert que ces différentes coquilles peuvent contenir des informations importantes sur la façon dont le cerveau intègre les informations des niveaux locaux de chaque nœud à l'ensemble du réseau mondial. Pour la première fois, nous pouvons construire un modèle topologique complet de notre cortex."

Ce modèle topologique révèle que le noyau du réseau comprend 20 % de tous les nœuds et que les 80 % restants sont fortement connectés à travers toutes les différentes coques. De façon intéressante, quand on compare cette topologie à celle d'autres réseaux, comme Internet, nous pouvons voir des différences notables. Par exemple, dans la topologie du réseau Internet, près de 25% des nœuds sont isolés, ce qui signifie qu'ils ne se connectent à aucune autre coque que le noyau (voir les "jambes" de la topologie en forme de méduse dans la figure 1, topologie du cortex humain). Dans le réseau cortical, cependant, il n'y a pratiquement pas de nœuds isolés. Il semble que le cortex soit beaucoup plus connecté et efficace qu'Internet.

En regardant toutes les différentes coquilles du réseau cortical, les auteurs ont pu définir la structure hiérarchique du réseau et modéliser essentiellement la façon dont l'information circule au sein du réseau. La structure a révélé comment les coques à faible connectivité sont des nœuds qui exécutent généralement des fonctions spécifiques telles que la reconnaissance faciale. De là, les données sont transférées à un niveau supérieur, des shells plus connectés qui permettent une intégration supplémentaire des données, et là, nous pouvons voir des régions du réseau exécutif et de la mémoire de travail. Avec ces zones, nous pouvons nous concentrer sur la performance des tâches par exemple (image 2, la hiérarchie du cortex humain).

Les informations intégrées « voyagent » ensuite vers le voisinage de nœuds le plus connecté, le noyau, qui s'étend sur plusieurs régions du cortex. Selon Lahav, "C'est un collectif interconnecté qui est densément lié à lui-même et peut exécuter des fonctions globales en raison de sa grande quantité de structures globales qui sont répandues dans le cerveau." (Voir figure 3, noyau du cortex humain.)

Quelle fonction globale le noyau pourrait-il remplir ? Les auteurs suggèrent que la réponse n'est rien de moins que la conscience elle-même.

"Le lien entre l'activité cérébrale et la conscience est encore un grand mystère, " dit Lahav. L'hypothèse principale aujourd'hui est que pour créer une activité consciente, le cerveau doit intégrer des informations pertinentes provenant de différentes zones du réseau. Selon cette théorie, dirigé par le professeur Giulio Tononi, de l'Université du Wisconsin, si le niveau d'information intégrée dépasse une certaine limite, un état nouveau et émergent est entré, la conscience. Ce modèle suggère que la conscience dépend à la fois de l'intégration de l'information et de la ségrégation de l'information. En gros, la conscience est générée par une structure de réseau "centrale" avec une grande capacité d'intégration de l'information, avec l'apport de sous-réseaux qui contiennent des informations spécifiques et ségréguées, sans faire partie de la structure centrale. En d'autres termes, certaines parties du cerveau sont plus impliquées que d'autres dans ce que l'on peut appeler le complexe conscient du cerveau, pourtant d'autres parties connectées contribuent encore, travailler tranquillement en dehors du complexe conscient.

Les auteurs montrent comment le noyau et les différentes coquilles satisfont à toutes les exigences de ces récentes théories de la conscience. Les différents shells calculent et contribuent à l'intégration des données sans pour autant faire partie du complexe conscient, tandis que le noyau reçoit des informations pertinentes de toutes les autres hiérarchies et les intègre à une fonction unifiée en utilisant sa structure interconnectée globale. Le noyau pourrait donc être ce complexe conscient, servant de plate-forme pour que la conscience émerge de l'activité du réseau.

Lorsque les auteurs ont examiné les différentes régions qui composent le noyau, ils ont révélé que, En effet, ces régions ont été précédemment associées à des activités conscientes. Par exemple, structures dans la ligne médiane du cerveau, qui forment la majorité du noyau du réseau, se sont avérés être associés au courant de la conscience et à certaines recherches, comme celui du professeur Georg Northoff, de l'Université d'Ottawa, ont suggéré que ces régions sont impliquées dans la création de notre sentiment de soi.

"Maintenant, nous devons utiliser cette analyse sur l'ensemble du cerveau et pas seulement sur le cortex afin de révéler un modèle plus exact de la hiérarchie du cerveau, et plus tard pour essayer de comprendre quelles sont exactement les dynamiques neuronales qui conduisent à une telle intégration globale et, finalement, la conscience, " dit Lahav.

"Les questions profondes ont besoin d'une réponse profonde qui ne peut généralement être trouvée qu'en physique. La physique essaie de découvrir les lois fondamentales de la nature en construisant des équations mathématiques générales qui peuvent décrire autant de phénomènes naturels que possible. Ces équations mathématiques révèlent des aspects fondamentaux de la réalité. Si nous voulons vraiment comprendre ce qu'est la conscience et comment fonctionne le cerveau, nous devons développer les équations mathématiques de notre cerveau et de notre esprit conscient. Nous ne sommes pas encore là, en fait on est assez loin de cet objectif, mais je pense que cela devrait être notre 'Saint Graal' et nous avons déjà commencé le processus pour y arriver, " il ajoute.