La conscience est tout ce que vous expérimentez. C’est la mélodie coincée dans votre tête, la douceur d’une mousse au chocolat, la douleur lancinante d’une rage de dents, l’amour intense pour votre enfant et la connaissance amère que tous les sentiments finiront par disparaître.
L’origine et la nature de ces expériences, parfois appelées qualia, restent un mystère depuis les temps anciens jusqu’à nos jours. De nombreux philosophes analytiques modernes de l’esprit, et en particulier Daniel Dennett de l’Université de Tufts, considèrent l’existence de la conscience comme une offense insupportable à ce qu’ils croient être un univers dénué de sens, constitué de matière et de vide. Ils affirment soit que les qualia n’existent pas, soit qu’ils ne peuvent jamais être étudiés de manière significative par la science.
Si cette assertion était vraie, cet essai serait très court. Il me suffirait d’expliquer pourquoi vous, moi et la plupart d’entre nous sommes si convaincus d’avoir des sentiments. Cependant, si j’ai un abcès dentaire, un argument sophistiqué pour me persuader que ma douleur est illusoire ne diminuera en rien sa torture. Étant donné que je n’ai que très peu de sympathie pour cette solution désespérée au problème corps-esprit, je vais passer à autre chose.
La majorité des chercheurs acceptent la conscience comme un fait donné et cherchent à comprendre sa relation avec le monde objectif décrit par la science. Il y a plus d’un quart de siècle, Francis Crick et moi avons décidé de laisser de côté les discussions philosophiques sur la conscience (qui ont occupé les chercheurs depuis au moins l’époque d’Aristote) et de rechercher plutôt ses empreintes physiques. Qu’est-ce qui se passe dans un morceau de matière cérébrale très excitable qui donne naissance à la conscience ? Une fois que nous aurons compris cela, nous espérons nous rapprocher de la résolution du problème plus fondamental.
Nous cherchons en particulier les corrélats neuronaux de la conscience (CNC), définis comme les mécanismes neuronaux minimaux conjointement suffisants pour toute expérience consciente spécifique. Que doit-il se passer dans votre cerveau pour que vous ressentiez une rage de dents, par exemple ? Certaines cellules nerveuses doivent-elles vibrer à une fréquence magique ? Des “neurones de conscience” spéciaux doivent-ils être activés ? Dans quelles régions du cerveau ces cellules se trouveraient-elles ?
Corrélats neuronaux de la conscience
Lors de la définition des CNC, le qualificatif “minimaux” est important. Le cerveau lui-même peut être considéré comme un CNC dans son ensemble : il génère une expérience jour après jour. Mais le siège de la conscience peut être encore plus précisément délimité. Prenez par exemple la moelle épinière, un tube souple d’un pied et demi de long constitué de tissu nerveux à l’intérieur de la colonne vertébrale, avec environ un milliard de cellules nerveuses. Si la moelle épinière est complètement sectionnée à la suite d’un traumatisme au niveau du cou, les victimes sont paralysées au niveau des jambes, des bras et du torse, incapables de contrôler leurs selles et leur urine, et sans sensations corporelles. Pourtant, ces tétraplégiques continuent de vivre toutes les variétés de la vie – ils voient, entendent, sentent, ressentent des émotions et se souviennent autant qu’avant l’incident qui a radicalement changé leur vie.
Ou prenons le cervelet, le “petit cerveau” situé sous l’arrière du cerveau. L’un des circuits cérébraux les plus anciens du point de vue de l’évolution, il est impliqué dans le contrôle moteur, la posture, la marche et l’exécution fluide de séquences complexes de mouvements moteurs. Jouer du piano, taper à la machine, danser sur glace ou escalader un mur de roche – toutes ces activités impliquent le cervelet. Il possède les plus glorieux neurones du cerveau, appelés cellules de Purkinje, qui possèdent des ramifications qui se propagent comme un corail en éventail et qui abritent des dynamiques électriques complexes. Il possède également de loin le plus grand nombre de neurones, environ 69 milliards (dont la plupart sont les cellules granulées en forme d’étoile du cervelet), soit quatre fois plus que dans le reste du cerveau combiné.
Que se passe-t-il pour la conscience si des parties du cervelet sont perdues à la suite d’un AVC ou du bistouri du chirurgien ? Très peu de choses ! Les patients atteints de cérébelleux se plaignent de plusieurs déficits, tels que la perte de fluidité lors du jeu du piano ou de la saisie au clavier, mais jamais de la perte d’un aspect de leur conscience. Ils entendent, voient et ressentent bien, conservent un sens de soi, se souviennent des événements passés et continuent à se projeter dans l’avenir. Même naître sans cervelet n’affecte pas de manière perceptible l’expérience consciente de l’individu.
Tout cet immense appareil cérébelleux est sans importance pour l’expérience subjective. Pourquoi ? Des indices importants peuvent être trouvés dans son circuit, qui est extrêmement uniforme et parallèle (tout comme les piles peuvent être connectées en parallèle). Le cervelet est presque exclusivement un circuit d’avant en arrière : un ensemble de neurones nourrit le suivant, qui à son tour influence un troisième ensemble. Il n’y a pas de boucles de rétroaction complexes qui résonnent avec l’activité électrique circulant en aller-retour. (Étant donné le temps nécessaire pour qu’une perception consciente se développe, la plupart des théoriciens concluent qu’elle doit impliquer des boucles de rétroaction à l’intérieur du réseau labyrinthique du cerveau.) De plus, le cervelet est fonctionnellement divisé en centaines de modules computationnels indépendants ou plus. Chacun fonctionne en parallèle, avec des entrées et sorties distinctes qui ne se chevauchent pas, contrôlant les mouvements de différents systèmes moteurs ou cognitifs. Ils interagissent à peine – une autre caractéristique indispensable pour la conscience.
Une leçon importante que nous pouvons tirer de la moelle épinière et du cervelet est que le génie de la conscience n’apparaît pas simplement lorsque n’importe quel tissu neuronal est excité. Il faut autre chose. Ce facteur supplémentaire se trouve dans la substance grise qui constitue le cortex cérébral, la surface externe du cerveau. Il s’agit d’une feuille lamellée de tissu nerveux complexement interconnecté, de la taille et de l’épaisseur d’une pizza de 35 cm de diamètre. Deux de ces feuilles, fortement repliées, ainsi que leurs centaines de millions de fils – la substance blanche – sont tassées dans le crâne. Toutes les preuves disponibles impliquent que c’est le tissu néocortical qui génère les sensations.
Nous pouvons réduire encore plus le siège de la conscience. Prenons par exemple les expériences dans lesquelles des stimuli différents sont présentés aux yeux droit et gauche. Supposons qu’une image de Donald Trump soit visible uniquement par votre œil gauche et celle d’Hillary Clinton uniquement par votre œil droit. On pourrait imaginer que vous verriez une sorte de superposition bizarre de Trump et Clinton. En réalité, vous verrez Trump pendant quelques secondes, après quoi il disparaîtra et Clinton apparaîtra, après quoi elle disparaîtra et Trump réapparaîtra. Les deux images alterneront dans une danse sans fin en raison de ce que les neuroscientifiques appellent la rivalité binoculaire. Étant donné que votre cerveau reçoit une entrée ambiguë, il ne peut pas décider : Est-ce Trump, ou est-ce Clinton ?
Si, en même temps, vous êtes allongé dans un scanner magnétique qui enregistre l’activité cérébrale, les expérimentateurs constateront qu’un large ensemble de régions corticales, collectivement connues sous le nom de zone postérieure chaude, est actif. Il s’agit des régions pariétales, occipitales et temporales situées à l’arrière du cortex [voir graphique ci-dessous] qui jouent le rôle le plus important dans le suivi de ce que nous voyons. Curieusement, le cortex visuel primaire qui reçoit et transmet l’information provenant des yeux ne signale pas ce que le sujet voit. Une hiérarchie similaire de travail semble être vraie pour le son et le toucher : les cortex auditif primaire et somatosensoriel primaire ne contribuent pas directement au contenu de l’expérience auditive ou somatosensorielle. Au contraire, ce sont les étapes suivantes du traitement – dans la zone postérieure chaude – qui donnent naissance à la perception consciente, y compris l’image de Trump ou de Clinton.
Le mètre de la conscience
Il existe un besoin clinique non satisfait pour un appareil capable de détecter de manière fiable la présence ou l’absence de conscience chez les personnes atteintes de handicaps ou d’incapacités. Pendant une opération chirurgicale, par exemple, les patients sont anesthésiés pour les maintenir immobiles et maintenir leur tension artérielle stable, et pour éliminer la douleur et les souvenirs traumatisants. Malheureusement, cet objectif n’est pas toujours atteint : chaque année, des centaines de patients ressentent une certaine conscience sous anesthésie.
Une autre catégorie de patients, qui ont une lésion cérébrale grave à la suite d’accidents, d’infections ou d’intoxications extrêmes, peuvent vivre pendant des années sans pouvoir parler ou répondre aux demandes verbales. Établir qu’ils vivent une expérience est un défi de taille pour les arts cliniques. Imaginez un astronaute perdu dans l’espace, écoutant les tentatives du contrôle de mission pour le contacter. Sa radio endommagée ne transmet pas sa voix, et il semble perdu pour le monde. C’est la situation désespérée des patients dont le cerveau endommagé ne leur permet pas de communiquer avec le monde – une forme extrême d’isolement.
Au début des années 2000, Giulio Tononi de l’Université du Wisconsin-Madison et Marcello Massimini, maintenant à l’Université de Milan en Italie, ont inauguré une technique, appelée “stimulation et enregistrement”, pour sonder si une personne est consciente ou non. Les scientifiques tenaient une bobine de fil contre le cuir chevelu et la “stimulaient” – envoyaient une intense impulsion d’énergie magnétique dans le crâne – induisant un bref courant électrique dans les neurones situés en dessous. La perturbation excitait et inhibait à son tour les cellules neuronales partenaires dans les régions connectées, dans une chaîne qui résonnait à travers le cortex, jusqu’à ce que l’activité disparaisse. Un réseau de capteurs d’électroencéphalogramme (EEG), positionnés à l’extérieur du crâne, enregistrait ces signaux électriques. Au fur et à mesure de leur évolution dans le temps, ces traces, correspondant chacune à un emplacement spécifique dans le cerveau sous le crâne, donnaient un film.
Ces enregistrements en cours de réalisation ne représentaient ni un modèle stéréotypé, ni un hasard complet. Étonnamment, plus ces rythmes de croissance et de décroissance étaient prévisibles, plus le cerveau était susceptible d’être inconscient. Les chercheurs ont quantifié cette intuition en comprimant les données du film avec un algorithme couramment utilisé pour “comprimer” les fichiers informatiques. La compression a donné une estimation de la complexité de la réponse du cerveau. Les volontaires qui étaient éveillés avaient un “indice de complexité perturbatoire” compris entre 0,31 et 0,70, qui chutait à moins de 0,31 lorsqu’ils étaient profondément endormis ou sous anesthésie. Massimini et Tononi ont testé cette mesure de stimulation et d’enregistrement sur 48 patients dont le cerveau était lésé mais réactif et éveillé, constatant que dans tous les cas, la méthode confirmait les preuves comportementales de la conscience.
L’équipe a ensuite appliqué la stimulation et l’enregistrement à 81 patients en état de conscience minimale ou dans un état végétatif. Pour le premier groupe, qui présentait quelques signes de comportement non réflexe, la méthode a correctement identifié 36 des 38 patients comme conscients. Elle a mal diagnostiqué deux patients comme inconscients. Parmi les 43 patients en état végétatif chez lesquels toutes les tentatives au lit pour établir une communication avaient échoué, 34 ont été qualifiés d’inconscients, mais neuf ne l’étaient pas. Leurs cerveaux ont réagi de manière similaire à ceux des témoins conscients, ce qui suggère qu’ils étaient conscients mais incapables de communiquer avec leurs proches.
Des études en cours visent à normaliser et à améliorer la stimulation et l’enregistrement pour les patients neurologiques et à les étendre aux patients psychiatriques et pédiatriques. Plus tôt ou plus tard, les scientifiques découvriront le jeu spécifique de mécanismes neuronaux qui donnent naissance à une expérience particulière. Bien que ces découvertes auront des implications cliniques importantes et pourront apporter du réconfort aux familles et aux amis, elles ne répondront pas à certaines questions fondamentales : Pourquoi ces neurones et pas d’autres ? Pourquoi cette fréquence particulière et pas une autre ? En effet, le mystère persistant est de savoir comment et pourquoi un morceau d’activité organisée hautement du tissu cérébral donne naissance à une sensation consciente. Après tout, le cerveau est comme n’importe quel autre organe, soumis aux mêmes lois physiques que le cœur ou le foie. Ce qui le rend différent ? Qu’est-ce qui rend cette pièce de matière cérébrale hautement excitante si différente de la matière grise ordinaire et lui confère la capacité de générer une expérience quotidienne vibrante sur le plan sensoriel ?
Finalement, ce dont nous avons besoin, c’est d’une théorie scientifique satisfaisante de la conscience qui prédise dans quelles conditions tout système physique particulier – qu’il s’agisse d’un circuit complexe de neurones ou de transistors en silicium – a des expériences. De plus, pourquoi les qualités de ces expériences diffèrent-elles ? Pourquoi un ciel bleu clair semble-t-il si différent du grincement d’un violon mal accordé ? Ces différences de sensation ont-elles une fonction, et si oui, laquelle ? Une telle théorie nous permettra d’inférer quels systèmes ressentiront quelque chose. En l’absence d’une théorie comportant des prédictions testables, toute spéculation sur la conscience des machines est fondée uniquement sur notre intuition, qui, comme l’histoire des sciences l’a montré, n’est pas un guide fiable.
De féroces débats ont éclaté autour des deux théories les plus populaires de la conscience. L’une est l’atelier neuronal global (GNW) du psychologue Bernard J. Baars et des neuroscientifiques Stanislas Dehaene et Jean-Pierre Changeux. La théorie part de l’observation selon laquelle lorsque vous êtes conscient de quelque chose, de nombreuses parties différentes de votre cerveau ont accès à cette information. Si, en revanche, vous agissez de manière inconsciente, cette information est localisée dans le système sensori-moteur spécifique concerné. Par exemple, lorsque vous tapez rapidement, vous le faites automatiquement. Si on vous demande comment vous faites, vous ne le sauriez pas : vous avez peu d’accès conscient à cette information, qui est également localisée dans les circuits cérébraux reliant vos yeux à des mouvements rapides des doigts.
La GNW soutient que la conscience émerge d’un type particulier de traitement de l’information – familier depuis les premiers jours de l’intelligence artificielle, lorsque des programmes spécialisés avaient accès à un petit réservoir d’information partagé. Toutes les données écrites sur ce “tableau noir” deviennent disponibles pour de nombreux processus subsidiaires : la mémoire de travail, le langage, le module de planification, etc. Selon la GNW, la conscience apparaît lorsque l’information sensorielle entrante, inscrite sur un tel tableau noir, est diffusée globalement à plusieurs systèmes cognitifs – qui traitent ces données pour parler, stocker ou rappeler un souvenir, ou exécuter une action.
Étant donné que le tableau noir a un espace limité, nous ne pouvons être conscients que d’une petite quantité d’informations à un instant donné. Le réseau de neurones qui diffuse ces messages est supposé être situé dans les lobes frontaux et pariétaux. Une fois que ces données rares sont diffusées sur ce réseau et sont globalement disponibles, l’information devient consciente. C’est-à-dire que le sujet en est conscient. Alors que les machines actuelles n’atteignent pas encore ce niveau de sophistication cognitive, cela n’est qu’une question de temps. La GNW affirme que les ordinateurs du futur seront conscients.
La théorie de l’information intégrée (IIT), développée par Tononi et ses collaborateurs, dont moi-même, part d’un point de départ très différent : l’expérience elle-même. Chaque expérience a certaines propriétés essentielles. Elle est intrinsèque, n’existant que pour le sujet en tant que “propriétaire” ; elle est structurée (un taxi jaune freinant tandis qu’un chien brun traverse la rue) ; et elle est spécifique – distincte de toute autre expérience consciente, telle qu’une image particulière dans un film. De plus, elle est unifiée et définie. Lorsque vous êtes assis sur un banc de parc par une journée chaude et ensoleillée, en regardant les enfants jouer, les différentes parties de l’expérience – la brise qui joue dans vos cheveux ou la joie d’entendre votre enfant rire – ne peuvent pas être séparées en parties sans que l’expérience cesse d’être ce qu’elle est.
Tononi postule que tout mécanisme complexe et interconnecté dont la structure encode un ensemble de relations de cause à effet aura ces propriétés – et aura donc un certain niveau de conscience. Il se sentira comme quelque chose venant de l’intérieur. Mais si, comme le cervelet, le mécanisme manque d’intégration et de complexité, il ne sera conscient de rien. Selon l’IIT, la conscience est le pouvoir causal intrinsèque associé à des mécanismes complexes tels que le cerveau humain.
La théorie de l’IIT dérive également, de la complexité de la structure interconnectée sous-jacente, un seul nombre non négatif Φ (prononcé “fy”) qui quantifie cette conscience. Si Φ est nul, le système ne ressent rien d’être lui-même. Inversement, plus ce nombre est élevé, plus le système possède un pouvoir causal intrinsèque et plus il est conscient. Le cerveau, qui possède une connectivité énorme et très spécifique, possède un Φ très élevé, ce qui implique un haut niveau de conscience. L’IIT explique un certain nombre d’observations, telles que l’absence de contribution du cervelet à la conscience et le fonctionnement du mètre de stimulation et d’enregistrement. (La quantité mesurée par le mètre est une approximation très grossière de Φ.)
L’IIT prédit également qu’une simulation sophistiquée d’un cerveau humain fonctionnant sur un ordinateur numérique ne peut pas être consciente, même si elle peut parler d’une manière indiscernable de celle d’un être humain. Tout comme la simulation de l’attraction gravitationnelle massive d’un trou noir ne déforme pas réellement l’espace-temps autour de l’ordinateur qui met en œuvre le code astrophysique, la programmation de la conscience ne créera jamais un ordinateur conscient. La conscience ne peut pas être calculée : elle doit être intégrée dans la structure du système.
Deux défis se profilent. L’un consiste à utiliser les outils de plus en plus raffinés dont nous disposons pour observer et sonder les vastes coalitions de neurones hautement hétérogènes qui constituent le cerveau afin de délimiter davantage les empreintes neuronales de la conscience. Cet effort prendra des décennies, compte tenu de la complexité byzantine du système nerveux central. L’autre consiste à vérifier ou à réfuter les deux théories actuellement dominantes. Ou peut-être à construire une meilleure théorie à partir de fragments de ces deux théories qui expliqueront de manière satisfaisante le puzzle central de notre existence : comment un organe de trois livres avec la consistance du tofu exhale la sensation de vie.
Cet article fait partie d’un rapport spécial, “Les plus grandes questions de la science”, parrainé par le prix Kavli. Il a été produit indépendamment par les rédacteurs de Scientific American et Nature, qui ont la responsabilité exclusive de tout le contenu éditorial.
