Synchronisation

On dit que des signaux sont synchronisés lorsqu'ils présentent des corrélations non nulles. En neurophysiologie, la notion de synchronisation est souvent associée à celle d'oscillation périodique. Le signal EEG présente par exemple des oscillations de fréquence comprise entre 8 et 12 Hz, appelées $\alpha$. Un champ de recherche actif concerne des oscillations de beaucoup plus faible amplitude dans la bande des 40 à 80 Hz ($\gamma$).

Au niveau de l'ensemble de neurones, la présence d'une fréquence dominante identique pour tous correspond au fait que les neurones tendent à tirer en phase. Synchronisation et oscillations périodiques marquent le fait qu'un groupe de neurones (par exemple une colonne corticale) est en train de ``travailler''. Cette activité forte est souvent transitoire, et se maintient sur quelques dixièmes de secondes avant de se propager à d'autres régions.

De nombreuses hypothèses existent sur le rôle fonctionnel de la synchronisation. Ces hypothèses reposent à la fois sur des faits expérimentaux et sur des simulations numériques :

• Codage temporel d'une stimulation sensorielle. Beaucoup de phénomènes de synchronisation ont été mesurés au niveau des aires sensorielles (vision, olfaction). La synchronisation semble impliquée dans le filtrage et le codage de l'information sensorielle.
  • Dans les aires visuelles primaires, la synchronisation de colonne à colonne participe à la détection du contour des objets du champ visuel [21]. Cette information sur le contour possède la même topologie que le signal initial. En ce sens, c'est une opération de filtrage.
  • La synchronisation tend à produire des motifs d'activité cohérents dans le temps et dans l'espace, ce qui permet de penser qu'il existe des formes de codage qui incluent la dimension temporelle. Les travaux d'Abeles [22] mettent en évidence des figures de tir précises et reproductibles. Dans le lobe antennaire du criquet (l'équivalent du bulbe olfactif chez les mammifères), G. Laurent montre que la précision dans la reconnaissance d'une odeur dépend d'un motif de tir spatio-temporel complexe, qui apparaît de façon transitoire [23]. En particulier, la désactivaion des influences inhibitrices abolit les oscillations synchrones, ce qui produit une baisse importante dans la précision de la reconnaissance des odeurs. Les inhibiteurs ont un rôle crucial dans la synchronisation du signal global et permettent d'obtenir un motif spatio-temporel nécessaire à la mise en uvre des processus de traitement ultérieurs.
  Quelques modèles théoriques mettant en jeu la synchronisation ont récemment été proposés [24,25], et sont l'objet d'un intérêt grandissant dans le domaine des réseaux de neurones.
• Liage de données. L'hypothèse du liage de données est la suivante : lorsqu'un stimulus possédant plusieurs modalités sensorielles atteint les aires sensorielles réceptrices correspondantes, il provoque au sein de chacune une activité synchronisée. Pendant le court instant où les aires stimulées sont actives simultanément, le reste du réseau, qui ne possède pas cette activité cohérente, est en quelque sorte désactivé. L'activité cérébrale est donc réduite aux aires stimulées, qui se retrouvent liées dynamiquement, au cours d'un traitement parallèle global. Elles participent ainsi à un processus unique. Cette conjecture sur le fonctionnement du cortex est celle du processeur "cocktail-party", où l'information importante est celle qui ressort du brouhaha [26]. Bien sûr, ce paradigme ne se limite pas aux aires sensorielles, et, dans une approche dynamique de l'activité cérébrale, les zones de synchronisation se déplacent, donnant accès à des traitements plus abstraits, à des associations d'idées ou à la reconstruction d'un souvenir (la madeleine de Proust reconstruit tout un univers oublié).

Certains travaux, qui reconnaissent l'importance du codage temporel, montrent néanmoins que l'hypothèse de la synchronisation n'est pas nécessaire pour expliquer certaines capacités cognitives. Par exemple, dans le cadre d'une tâche de classification des entrées visuelles, la vitesse du traitement effectué ne permet pas la mis en place d'une dynamique synchronisée. L'ordre d'arrivée des spikes semble d'une importance cruciale pour ce type de traitement [27].