Je reviens cette semaine sur le fascinant concept de « paysages d’attracteurs » (« attractor landscapes », en anglais) présenté la semaine dernière pour en donner deux exemples plus spécifiques à la neurobiologie.

Car l’exemple de l’animation de Nicky Case qui montrait comment représenter les fluctuations d’une population de poissons en termes de paysage d’attracteurs permettait également de comprendre certains phénomènes associés, comme l’effet de seuil d’un « tipping point ». Mais qu’en est-il de nos populations de cellules nerveuses et des signaux qu’elles s’échangent ? Leur développement ou leur comportement peut-il aussi être mieux compris à la lumière du concept de paysage d’attracteurs ?

La réponse, affirmative vous vous en doutez bien, est venue dès 1956 dans une publication du biologiste du développement anglais Conrad Waddington. Celui-ci, considéré comme l’un des pères de l’épigénégique, y démontrait la possibilité de rendre héritable certains traits physiques acquis par une population en réponse à un stimulus environnemental.

Cette conclusion étonnante pour l’époque s’appuyait entre autres sur la grande plasticité développementale constatée par Waddington. Autrement dit, une jeune cellule souche est influencée durant son développement par certains facteurs internes (des gènes) et externes (les molécules que cette cellule va croiser sur son chemin, par exemple) qui vont contribuer à infléchir son destin. Dans le cas d’une cellule souche du cerveau, c’est ce qui fera en sorte qu’elle deviendra tantôt une cellule gliale de type astrocyte ou oligodendrocyte, tantôt une cellule endothéliale ou bien sûr tantôt tel ou tel type de neurone (voir l’image en haut de ce billet).

Or Waddington avait déjà, à l’époque, représenté ces différentes destinées dans un paysage d’attracteurs ! Comme le montre l’image ci-dessous de la main de Waddington, des collines et des vallées définissent les trajectoires de différents développements possibles pour la cellule souche. À tout moment, on peut comprendre ce destin comme l’endroit où roulerait une bille si elle était lâchée dans ce relief à ce moment donné de son développement. Les points les plus bas des différentes vallées correspondent ainsi aux différents attracteurs possibles pour cette cellule souche.

Waddington utilisait le mot « canalised » pour décrire le phénomène, mais c’est exactement la même chose. Il ajoutait aussi qu’on pouvait influencer le cours du développement d’un organisme en manipulant certains facteurs environnementaux (température, signaux chimiques, etc.). Dans les termes d’aujourd’hui, et comme on l’a mentionné à la fin du billet de la semaine dernière, c’est comme si l’on modifiait alors directement le paysage d’attracteur (les monts et les vallées). Le destin d’une billes (ou d’une cellule) qui s’y trouve s’en trouve alors automatiquement modifié.

Pour une actualisation des idées de Waddington, vous pouvez consulter l’article de 2015 de Denis Noble intitulé “Conrad Waddington and the origin of epigenetics” où l’auteur complète un schéma de Waddington d’un « paysage développemental » en y ajoutant différentes lignes de force qui représentent les différentes influences environnementales en plus des influences génétiques.

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Mon second exemple de paysage d’attracteurs est celui souvent utilisé pour représenter un engramme mnésique, autrement dit la trace neuronal d’un souvenir dans notre cerveau. Elle correspond en gros, comme nous le savons maintenant, à certaines assemblées de neurones sélectionnées, c’est-à-dire « habituées de travailler ensemble », si vous voulez…

Dans la jungle dense et immense de neurones que constitue notre cerveau, il y aurait donc certains réseaux sélectionnés par l’apprentissage où l’activité nerveuse aurait tendance à se produire plus souvent, à se maintenir plus longtemps, etc. On voit donc aisément ici l’analogie avec notre paysage d’attracteurs. Pour ceux et celles qui voudraient aller plus loin, cet article de 2013 donne un exemple de travaux où l’on tente de comprendre certains types d’activité cérébrale avec des notions reliées aux paysages d’attracteurs, dans ce cas-ci la transition entre deux attracteurs : « Increased Firing Irregularity as an Emergent Property of Neural-State Transition in Monkey Prefrontal Cortex ».

Comme le montre aussi la représentation imagée ci-dessous d’une assemblée de neurones codant pour l’image mentale de Luke Skywalker, l’idée de ce qu’on appelle en anglais « pattern completion » peut aussi être comprise à travers un paysage d’attracteurs. Certains neurones étant commun au réseau codant pour Luke Skywalker, le Yoda et Darth Vader (parce que mémorisés dans le même contexte du film Star Wars), penser à l’un nous fait souvent penser irrémédiablement à l’autre, sans doute par un phénomène « d’embrasement » de l'activité de l’assemblée neuronale voisine par l'entremise de leurs neurones communs. Ou, pour parler en termes de paysage d’attracteurs, de passage ou de « glissement » d’une vallée à une vallée voisine.

Et un peu aussi, pour reprendre l’une de mes métaphores préférée du cerveau et de son activité dynamique à différentes échelles de temps, comme quand une feuille d’arbre tombée dans un torrent reste prise dans un tourbillon derrière une roche, et puis tout d’un coup, profitant d’une fluctuation de l’eau un peu plus importante, s’en échappe pour se reprendre dans le tourbillon d’à côté…

Sur ce, je vous souhaite d’aller contempler de beaux torrents dans une forêt près de chez vous. Ce que je ferai la semaine prochaine, sans connexion Internet. On se retrouve donc dans deux semaines…