Teaching Summary

Title : Séminaires Cerveau et Cognition
Authors : Cyril Monier and Yves Frégnac
Year : 2015

Abstract

Cyril Monier - HSS 512F

SEMINAIRE HSS 512F
 

Cerveau et Cognition

Département d'Humanités et Sciences Sociales
Ecole Polytechnique, Automne 2015

Mise à jour 09/09/2015

 

Données - Description - Organisation - Thèmes - Agenda - Bibliographie

Données

  • Crédits ECTS : 1
  • Nombre d'heures : 24
  • Langue du cours : français
  • Horaires : jeudis matins de 8h à 11h
  • Dates : 10, 17, 24 sept – 1, 8 oct – 5, 12, 19 nov 2015
  • Code catalogue : HSS512F

  • Responsables : Yves Frégnac et Cyril Monier
  • Emails : yves,fregnac O unic,cnrs-gif,fr / cyril,monier O unic,cnrs-gif,fr
  • Téléphones : +33 (0)1 69 82 34 15 / +33 (0)1 69 82 41 35

 

Description

La biologie est bouleversée par les progrès de la génétique et de l'informatique. Demain, grâce au décryptage du réseau complet de gènes régulant un être vivant, tout paraîtra modifiable, de la couleur des yeux jusqu'au comportement. Demain, grâce aux avancées dans le domaine des interfaces cerveau-machine, un simple « décodage » de la pensée à partir de l'activité cérébrale suffira à mouvoir des bras articulés, déclencher des actions avant même que les muscles de notre corps ne soient mobilisés.

Ces nouveaux pouvoirs de la biologie remettront en cause l'immuabilité du monde vivant qui nous entoure et des modes d'interaction entre agents pensants. Faut-il craindre ou espérer qu'en touchant seulement quelques gènes, on pourra, à volonté, transformer les capacités cognitives d'un être vivant? L'homme va-t-il demain posséder le pouvoir de réparer ou même « reprogrammer » son cerveau et la communication qu'il entretient avec l'environnement? Ces dernières années, les neurosciences cognitives ont considérablement progressé sur la base des résultats de la neurobiologie et des techniques d'exploration multi-échelle comme la neuro-imagerie anatomique et fonctionnelle.

Le séminaire Cerveau et cognition vise à faire le point sur ces progrès. Quelles techniques et quels paramètres psychophysiques sont aujourd'hui accessibles pour démontrer la nature organique de la perception, du langage, du raisonnement ou de l'action ? À quel point ces paramètres permettent-ils d'intégrer, en la formalisant, une fonction cognitive ? Comment la modélisation de processus cognitifs comme la perception, l'apprentissage, la mémoire ou même la conscience, prend-elle en compte les différents niveaux d'intégration, de la molécule à l'individu ?

La matérialisation neurobiologique du mental diffuse dans les sciences humaines et le tissu social en apportant un jour nouveau sur certaines problématiques traditionnelles de la psychologie et de la philosophie. Elle a enfin des applications en santé humaine, en informatique, en automatique et robotique et, même, en modélisation logique et mathématique. À ce titre, les neurosciences deviennent une composante des sciences de l'ingénieur.

 

Organisation

Organisé cette année par le département d'Humanités et Sciences Sociales, le séminaire illustrera cette tendance en s'appuyant sur l'interdisciplinarité entre humanités et sciences sociales, neurosciences, informatique et physique. Au cours d'une série de conférences, il abordera entre autre les thèmes suivants :

  • dynamique des systèmes complexes en biologie
  • architectures de calcul inspirées du vivant et perception sensorielle
  • neuropsychologie de l'action
  • cortex visuel
  • conscience du corps
  • etc.

Cette série est coordonnée par Yves Frégnac (Professeur à l'X et Directeur de l'UNIC) et Cyril Monier (chercheur à l'UNIC).

Les élèves sont appelés à participer au séminaire en présentant à leur tour des exposés sur des questions susceptibles d'illustrer ou compléter les conférences. Pour cela, ils doivent

  1. former des groupes de travail :
    • en binômes, trinômes, voire quadrinômes, suivant les effectifs
  2. choisir leurs thèmes :
    • chaque groupe choisit une séance
    • s'il est un binôme ou trinôme, il sélectionne 2 (deux) articles sur les 3 proposés pour cette séance ; dans le cas du trinôme, le 3ème élève présente une introduction et une conclusion encadrant les 2 articles (cf. ci-dessous)
    • s'il est un quadrinôme, les 3 articles seront présentés et le 4ème élève s'occupe de l'introduction et de la conclusion autour de ces articles
  3. préparer leurs exposés :
    • les exposés doivent durer environ 45-50mn en tout, questions non comprises
    • ils doivent être formattés en PowerPoint (ou compatible) ou bien PDF
    • ils doivent comprendre une introduction (contexte des articles, état de l'art) et une conclusion (nouveauté des articles dans ce contexte) qui encadreront la revue proprement dite des articles, présentées toutes les deux par l'un des membres du groupe
    • les 2, 3 ou 4 élèves peuvent se partager le travail selon leurs préférences, en assurant une charge et un temps de parole équitables (donc, respectivement, 23mn, 15mn ou 12mn par élève)
    • les présentations seront préparées sous la supervision et avec les conseils du conférencier invité et des responsables du séminaire (par email, téléphone et/ou sur rendez-vous)
    • elles seront envoyées par email à ces trois personnes au plus tard le mercredi, veille de la séance, et apportées en classe par le groupe sur ordinateur portable ou clé USB 
  4. démontrer leur capacité à
    • aborder des concepts nouveaux pour eux, parfois difficiles de premier abord pour des non-experts, en gardant une attitude de curiosité et une volonté de recherche
    • structurer leur réflexion sur un sujet à caractère scientifique ou technique, souvent pluridisciplinaire, notamment grâce à une recherche bibliographique externe
    • restituer leur réflexion de manière simple et rigoureuse devant leurs camarades 
  5. lire tous les articles :
    • chacun doit pouvoir participer aux questions et discussions de toutes les séances, sur la base des articles choisis et présentés par ses camarades.
L'évaluation du succès de ce travail et de la note finale (par délibération entre le conférencier invité et les responsables du séminaire) se concentrera moins sur la quantité totale de connaissances effectivement comprises ou acquises que sur l'authenticité des efforts investis dans la recherche et l'exploration détaillées de ces connaissances, ainsi que l'exposé des interrogations qu'elles ont pu susciter.

Agenda et Thèmes des séminaires

Toutes les séances ont lieu les jeudis matins de 8h à 10h dans l'amphi à l'Ecole polytechnique, Palaiseau.

Date Intervenants Intitulé Références
10 septembre Yves FrégnacC & Cyril Monier

Introduction générale : Cerveau et cognition

Introduction aux enregistrements multi-échelles de la dynamique corticale

Nous présenterons et comparerons ici les différentes techniques et analyses utilisées pour enregistrer l’activité du cerveau à différentes échelles.
- Enregistrements intracellulaires
- Enregistrement multi-électrode, LFP, SUA et MUA
- Imagerie optique intrinsèque et extrinsèque (VSD, bi-photon)
- Potentiel evoqué, EEG.
- Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

 

Introduction Frégnac

Presentation Monier

17 septembre Mehdi Khamassi Apprentissage par renforcement : de la modélisation des processus neuraux aux applications robotiques Methode Monier 2014

Amelot

Pierre

Bournhonesque

Charles

Dembin

Barbara

Moindrot

Olivier

Saviot

Léa

 

L'activité phasique des neurones dopaminergiques est considérée depuis une quinzaine d'années comme le substrat neural de signaux d'erreur de prédiction de la récompense (RPE). Ces signaux se sont avérés très proches des signaux d'erreurs générés par les algorithmes d'apprentissage par renforcement (RL). De plus, de nombreuses études ont montré que les algorithmes RL permettaient de bien décrire l'apprentissage animal et humain pendant des tâches de conditionnement pavlovien. La première partie de mon intervention présentera une introduction des modèles computationnels d'apprentissage par renforcement, à leur formalisme, et aux données montrant qu'ils permettent de bien décrire certaines activités cérébrales liées à l'apprentissage.

Cependant dans des tâches où l'animal ne subit pas passivement un conditionnement pavlovien mais doit faire un choix d'action (conditionnement instrumental), on se rend compte que l'activité des neurones dopaminergiques n'est pas si facilement interprétable en terme d'erreur de prédiction. Cette activité contient-elle aussi de l'information sur l'action à faire ? Sur la valeur du stimulus ? Je présenterai dans une deuxième partie des simulations d'algorithmes différents d'apprentissage par renforcement, et leur comparaison quantitative et systématique avec des enregistrements électrophysiologiques pour montrer que ces analyses déjouent les interprétations qualitatives qui ont pu être faites de l'activité des neurones dopaminergiques.

Enfin, la dernière limite des modèles d'apprentissage par renforcement dont je parlerai est celle du passage à l'échelle, dans le monde réel. Lorsque l'on sort du cadre des simulations parfaites et simplifiées des tâches de laboratoire et que l'on se place dans le cadre de l'interaction réaliste d'un robot avec son environnement, on se rend compte que ces algorithmes ont beaucoup de mal à faire face au bruit, à l'incertitude, aux délais. L'application de ces modèles d'apprentissage au contrôle d'un robot montre que pour réussir à obtenir une bonne performance du robot, il faut faire en plus des hypothèses sur l'interaction de ces modèles avec d'autres systèmes d'apprentissage et avec d'autres processus cognitifs tels que la perception, la cartographie, la navigation. Je montrerai en particulier comment des algorithmes combinant deux types d'apprentissage, dits model-free et model-based, permettent de donner une meilleure performance comportementale au robot et d'expliquer un plus grand nombre de données expérimentales, en particulier dans des tâches de navigation

Articles à présenter

Viejo 2015

Gershman et al. 2010

Steiner Redish 2014

24 septembre

Michel Le Van Quyen

Vers une approche multi-échelle de la dynamique du cerveau humain

 

Baverez

Guillaume

Couttenier

Elodie

Moricheau-Beauchant

Pierre

Soulat

Hugo

Tantin

Antoine

 

Progress in understanding the global brain dynamics has remained slow to date in large part because of the highly multi-scale nature of brain activity. Indeed, normal brain dynamics is characterized by complex interactions between multiple levels: from the microscopic scale of single neurons to the mesoscopic level of local groups of neurons, and finally to the macroscopic level of the whole brain. Among the most difficult tasks are those of identifying which scales are significant for a given particular function and describing how the scales affect each other. It is important to realize that the scales of time and space are linked together, or even – intertwined, and that causal inference is far more ambiguous between than within levels. We approach this problem from the perspective of our recent work on simultaneous recording from micro- and macro- electrodes in the human brain. We propose a physiological description of these multilevel interactions that is based on phase-amplitude coupling of neuronal oscillations that operate at multiple frequencies and on different spatial scales. Specifically, the amplitude of the oscillations at a particular spatial scale is modulated by phasic variations in neuronal excitability induced by lower frequency oscillations that emerge on a larger spatial scale. Following this general principle, it is possible to scale up or scale down the multi-scale brain dynamics. It is expected that large-scale network oscillations in the low frequency range, mediating downward effects, may play an important role in attention and consciousness.

Articles à présenter

Le Van Quyen & al 2013

Le Van Quyen 2007 TINS

Le Van Quyen 2010 J Neuro

 

 

1 octobre Pascal Mamassian

La perception comme résolution d'un problème d'inférence

 

 

Abdi

Benjamin

Andrejkovic

Janik

FInger

Fabian Eduard

Sahlmann

Lorenz

Ynocente Castro

Mario

Toute sensation est confrontée à différents niveaux d'incertitudes, depuis l'ambiguité inhérente à un stimulus jusqu'à la variabilité du traitement neuronal. De ce point de vue, la perception peut être abordée comme la résolution d'un problème d'inférence: quelle est la scène du monde la plus probable qui est responsable de l'activation de mes capteurs sensoriels? Nous discuterons de différents problèmes de perception visuelle qui ont été traités dans un cadre probabiliste bayésien.

Articles à présenter

Bahrami Science 2010

Barthelme PNAS 2010

Jazayeri 2010

8 octobre Mathias Pessiglione

Comment le cerveau motive le comportement : du circuit de la récompense au système des valeurs

 

Amadio 

Claire

Benda 

Robert

Boissier 

Mathilde

Bonnal 

François

Legros

Ferdinand

Toubiana

Nathan

 

Durant la dernière décennie, plusieurs disciplines, telles que l’économie comportementale, la psychologie expérimentale et les neurosciences cognitives, ont joint leurs efforts afin d’étudier les mécanismes de la prise de décision chez l’homme. Cette collaboration a été possible grâce au progrès technique - notamment la mise au point des techniques de neuroimagerie -, et au lien conceptuel – avec la notion de valeur comme variable fondamentale. Ainsi ce qu’on appelait autrefois le « circuit de la récompense » est devenue le « système des valeurs », c’est-à-dire un réseau cérébral qui estime combien chaque état du monde (observé ou imaginé) est bon pour l’individu. Dans mon intervention je présenterais les propriétés fondamentales de ce système : la subjectivité (les valeurs d’un même objet varient selon les personnes), la généricité (toutes les catégories d’objets peuvent être évaluées sur une même métrique), l’automaticité (les valeurs sont générées même si elles ne sont pas pertinentes pour le comportement en cours) et l’auto-corrélation (les valeurs dépendent de l’état du système à l’instant précédent). Puis je montrerais comment l’interaction entre ce système et d’autres systèmes cérébraux (perceptuel, moteur, cognitif, épisodique etc.) peuvent influencer la formation des valeurs et sous-tendre leur impact sur le comportement.

Articles à présenter

Harvey JNS 2010

Levy JNS 2011

Chib JNS 2009

 

5 Novembre Bertrand Thirion Utilisation de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle pour décoder les percepts visuels chez l'Homme.  

Akkari

Hamed

Burlin

Charles

Das

Priyanka

Le Calonnec

Yoann

Martin

Jean-Baptiste

 

Au cours de cette séance, nous allons tout d'abord présenter l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), qui est une des principales techniques d'exploration non invasive de l'organisation fonctionnelle du cerveau --à savoir sa division en zones spécialisées et leur organisation en réseau-- chez l'homme. Nous allons étudier comment cette imagerie est exploitée pour fournir des informations fiables sur localisation des zones fonctionnelles du cerveau. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux approches dites de décodage, qui utilisent les réponses de plusieurs zones du cerveau pour ajuster une variable cognitive d'intérêt. Nous décrirons le cadre d 'utilisation de ces méthodes et leur application à l'étude du système visuel humain: identification d'objets présentés visuellement, de de lettres, de mots etc. Nous discuterons finalement comment cette approche peut aider à valider des modèles neuro-computationnels de la vision.

Articles à présenter

Agawal 2014

Horikawa 2014

Stansbury Neuron 2013

12 novembre Julie Grezes Bases cérébrales impliquées au cours de la perception sociale  

Galland

Alexis

Giovachini

Louis

Lachaize

Henri

Landman

Jonas

Levisse

Paul

 
La complexité sociale dans laquelle notre espèce évolue suppose l'existence de mécanismes spécialisés dans la perception et compréhension des signaux sociaux émis par nos congénères, et plus largement, d'un ensemble de processus cognitifs rendant possible la coordination et l'interaction sociale. Dans notre intervention, nous discuterons de manière critique quelques uns des nombreux travaux qui ont fait valoir l'idée que la compréhension des actions, émotions et états mentaux d'autrui repose essentiellement sur les ressources cognitives et neurales utilisées pour produire ces mêmes états mentaux, émotions et actions. Plus particulièrement, nous défendrons l'idée que ce principe général de 'résonance’ est difficilement applicable à l'ensemble des états mentaux et émotionnels et ne permet pas de faire complètement sens de certains de nos comportements sociaux, notamment ceux de la communication émotionnelle.

Articles à présenter

Janssen 2015

Hogeveen 2015

Borgomaneri 2014

19 novembre Claire Sergent

Bases cérébrales de la conscience

 

Bouttier

Vincent

Guillard

Robin

Le Gros

Pierre-Yves

Ruiz

Nataniel

 

Il semble que l’on puisse distinguer deux grands modes de fonctionnement de la perception et de la cognition en général : un mode automatique, non contrôlé, non rapportable, bref « inconscient », et un mode plus contrôlé, que nous sommes capables d’accéder et de rapporter, bref « conscient ». Ce flux permanent de perceptions et de pensées qui constitue notre expérience consciente n’est qu’une partie de notre cognition. Qu’est-ce qui distingue ces deux types de fonctionnement cognitif au niveau cérébral ? Quels sont les mécanismes cérébraux qui permettent non seulement de traiter une information mais d’en « prendre conscience »? Je présenterai les grandes lignes de la démarche scientifique et de nos connaissances actuelles sur les mécanismes de la conscience, et j’évoquerai les applications médicales possibles pour le diagnostic des patients post-comateux.

Articles à présenter

Dehaene Changeux Naccache Sackur Serget 2006

Sergent CB 2013

Sergent CB 2013 SD

Ferrarelli 2014

 

Données - Description - Organisation - Thèmes - Agenda - Bibliographie