Chapitre 1 - Se connecter

Chapitre 1:
DONNEES NEUROBIOLOGIQUES
Les astuces développées par l’évolution au cours des siècles peuvent être une source
d’inspiration importante pour la mise au point de nouvelles méthodes de traitement
du signal et de l’image. Notre objectif dans ce chapitre est de décrire quelques aspects
des connaissances actuelles concernant le fonctionnement du système nerveux et
l’organisation du traitement de l’information visuelle chez l’homme. Nous nous
intéresserons plus particulièrement aux points qui semblent susceptibles de conduire à
des modèles mathématiques exploitables pour la vision par ordinateur et le traitement
du signal.
Dans une première partie, nous donnerons quelques indications concernant le
fonctionnement de l’élément de base du tissu nerveux : le neurone. De ces
indications nous dériverons un modèle mathématique qui pourra être implémenté
dans un système arti…ciel.
Les connaissances actuelles concernant le traitement de l’image chez l’homme
sont résumées dans une seconde partie. Nous tenterons d’en tirer quelques
conclusions sur la façon dont l’information visuelle doit être traitée.
En…n, une troisième partie traite d’un domaine encore très mal compris :
l’apprentissage. La capacité d’apprentissage est une caractéristique fondamentale des
systèmes vivants évolués, qui trouve sa source dans divers phénomènes biochimiques.
Il est d’ailleurs certain que toute la circuiterie du système nerveux ne peut être
prédéterminée génétiquement jusqu’au niveau du détail. En fait, c’est un ensemble
restreint de lois particulièrement astucieuses qui permettent à cette circuiterie de
s’adapter aux données provenant du monde extérieur.
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Thèse G. Burel Chap 1: Données neurobiologiques
1 Le neurone biologique
1.1 La cellule nerveuse
LE NEURONE BIOLOGIQUE
propagation de l'information
AXONE
NOYAU
DENDRITE
Figure 1:
Le type le plus commun de neurone biologique (…g 1) se présente comme une cellule
dont le corps est doté de deux types de prolongements [Taxi71]:
- Des rami…cations courtes et buissonnantes: les dendrites.
- Une longue …bre qui se termine par une arborisation: l’axone.
Ces prolongements permettent au neurone d’établir des connexions avec d’autres
cellules nerveuses (ou avec des cellules musculaires dans le cas des neurones moteurs).
L’élément le plus frappant à l’observation microscopique du tissu nerveux est la
densité de connexions: chaque neurone communique, en moyenne, avec 104autres
neurones. C’est cette densité de connexion, cette importance des communications,
qui fait toute la puissance du système nerveux. Le cerveau humain comporte de
l’ordre de 1011 neurones, soit environ 1015 connexions.
Les dendrites constituent en quelque sorte les points d’entrée du neurone: c’est
par les dendrites qu’il reçoit de l’information provenant d’autres neurones. Après
traitement, l’information est propagée vers les neurones suivants, via l’axone. Les
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Thèse G. Burel Chap 1: Données neurobiologiques
terminaisons de l’axone forment des connexions (synapses) avec d’autres neurones.
Le fonctionnement du neurone met en jeu des phénomènes chimiques et électriques.
Nous allons chercher, par une mise en équation simpli…ée de ces phénomènes,
à obtenir un modèle mathématique du neurone. Ce modèle sera une source
d’inspiration intéressante pour la conception de nouveaux dispositifs de traitement
du signal et de l’image.
1.2 L’in‡ux nerveux
1.2.1 Le potentiel de repos
-70mV
exterieur
membrane
interieur
DV
M
V
D
V
D
M
D : diffusion
V : force electrostatique
M : pompe metabolique
CONCENTRATIONS IONIQUES AU REPOS (en mmol/l)
9
135
150
5.5
15
150
-
+
+
K
Cl
Na
+ + +
- - -
Figure 2:
La membrane du neurone est une membrane dialysante d’une épaisseur de l’ordre
de 0:01¹m [Hermann79]. Au repos, il existe une di¤érence de potentiel de -70mV
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Thèse G. Burel Chap 1: Données neurobiologiques
entre l’intérieur et l’extérieur du neurone (potentiel de repos). Son existence est liée
aux di¤érences de concentrations ioniques de part et d’autre de la membrane (…g 2).
A l’extérieur de la cellule, on trouve une forte concentration en sodium (Na+)eten
chlore (Cl¡). A l’intérieur, on trouve une importante concentration en potassium
(K+) et en anions organiques (non représentés sur la …gure).
Les principaux mouvements ioniques mis en jeu dans le fonctionnement du neurone
sont ceux du sodium et du potassium. La perméabilité de la membrane à ces ions
dépend du potentiel. Du point de vue macroscopique, on peut distinguer trois ‡ux
correspondant à trois causes di¤érentes:
1. La di¤usion, qui tend à égaliser les concentrations (elle dépend du gradient de
concentration et de la perméabilité de la membrane).
2. La force électrostatique, dûe à la di¤érence de potentiel
3. La pompe métabolique.
Au repos, ces trois ‡ux s’équilibrent. La pompe métabolique est un mécanisme actif,
consommateur d’énergie. En son absence, les concentrations tendraient à s’égaliser
par le jeu de la di¤usion.
1.2.2 Le potentiel d’action
Lorsque, à l’aide d’électrodes, on augmente arti…ciellement le potentiel de la
membrane, il ne se passe rien jusqu’à une valeur critique de l’ordre de -40mV. Au
dessus de cette valeur, on observe une inversion brutale du potentiel, puis un rapide
retour à l’état de repos (…g 3), dans un temps de l’ordre de 3.5ms.
Cette inversion temporaire du potentiel, appelée potentiel d’action, a pour origine
une avalanche de phénomènes électrochimiques [Taxi71] [Hermann79].Ene¤et,la
perméabilité de la membrane dépend fortement du potentiel. Lorsque le potentiel
dépasse -40mV, la perméabilité aux ions Na+augmente rapidement, d’où une entrée
massive de ces ions dans la cellule. Ceci entraîne une augmentation du potentiel,
d’où une perméabilité encore plus importante au sodium, etc.
L’inversion du potentiel résultant de cette réaction autocatalytique provoque
une augmentation de la perméabilité aux ions K+. Il semblerait en e¤et que la
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Thèse G. Burel Chap 1: Données neurobiologiques
PK : permeabilite au potassium
PNa : permeabilite au sodium
POTENTIEL D'ACTION
PK
PNa
V (mV)
420
40
-60
-40
t (ms)
entree de
sodium
sortie de
potassium
retablissement du
au metabolisme
Figure 3:
perméabilité aux ions K+augmente plus lentement, et avec un certain retard, par
rapport à la perméabilité aux ions Na+. Ceci induit une sortie massive d’ions
potassium, d’où une chute du potentiel. Le potentiel de repos (-70mV) est ensuite
rapidement rétabli par la pompe métabolique.
1.2.3 La propagation de l’in‡ux nerveux
L’axone (ou …bre nerveuse) est en presque totalité recouvert d’une gaine de myéline
quijouelerôled’unisolant[Hermann79]. Cette gaine est régulièrement interrompue.
Lorqu’une inversion de potentiel (potentiel d’action) est créée au point (a) de l’axone
(…g 4), il naît un courant vers le prochain point d’interruption de la gaine isolante
(b). Ce courant fait monter le potentiel en (b), d’où le déclenchement d’un nouveau
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