CYBERNÉTIQUE - Cybernétique et biologie

CYBERNÉTIQUE - Cybernétique et biologie

Bien que le propre de la cybernétique soit son universalité, le style particulier de ses applications en biologie et leur extension considérable dans ce vaste domaine ont conduit à la formation d’une discipline, la biocybernétique, qui a désormais ses spécialistes, ses revues, ses traités, ses congrès, et ses subdivisions. La plus développée, consacrée au système nerveux, a pris le nom de neurocybernétique.

À tous les degrés de complexité de la hiérarchie des structures du monde vivant, et souvent en englobant plusieurs niveaux de cette hiérarchie, on peut définir des ensembles d’éléments composants ayant entre eux des relations fortes, nettement plus fortes que celles qu’ils entretiennent avec leur milieu: on dit qu’ils forment des systèmes . Dans la mesure où ces systèmes font apparaître soit entre leurs composants, soit dans leurs rapports avec le milieu, des processus d’échange d’informations, c’est-à-dire de communication , ou d’exécution de programmes d’action, c’est-à-dire de commandes (ou contrôle , dans le sens anglais du terme), ils relèvent de la cybernétique, de ses concepts, de ses méthodes.

Le champ de la biocybernétique commence au niveau des macromolécules organiques et comprend ensuite, par ordre de complexité croissante, les principaux composants subcellulaires, la cellule elle-même considérée comme un tout, les tissus et organes, les grands systèmes fonctionnels de la physiologie animale ou végétale, et enfin l’organisme total de l’individu. Lorsque plusieurs de ceux-ci en se groupant forment des collections organisées (sociétés animales ou humaines), on rattache leur étude cybernétique aux sciences du comportement, à la psychologie, à la sociologie. En fait, dans chaque subdivision de la biologie, et particulièrement en physiologie, se justifie désormais, en prolongement des travaux classiques, une application des modes de représentation, d’expression et de traitement de la cybernétique, direction moderne du progrès dans l’explication rationnelle de beaucoup de phénomènes du monde vivant. La biocybernétique, en touchant à plusieurs des grands problèmes généraux de la vie, se trouve fatalement impliquée dans des discussions philosophiques, auxquelles elle apporte des éléments nouveaux: ainsi les notions de système, d’organisme, d’intégration, de finalité et de liberté. Mais, ici même, on se limitera aux principes et aux idées générales, celles qu’inspirent les trois mots clefs de la définition: système, communication, commande.

1. Historique et relations avec les sciences connexes

Le livre théorique de Norbert Wiener, déjà très imprégné de biologie, avec des chapitres sur le système nerveux, les ondes cérébrales, les troubles psychopathologiques, la perception des formes, marque les débuts de la cybernétique (de 1942 à 1947). En dehors de la forte influence qu’exerça alors le cardiologue mexicain A. Rosenblueth, ce sont donc les phénomènes cérébraux que privilégie déjà la cybernétique biologique, avec les travaux des pionniers: W. McCulloch, neurophysiologiste américain, W. R. Ashby, psychiatre anglais, créateur d’un modèle qui eut son heure de célébrité, l’homéostat, W. Grey Walter, électro-encéphalographiste anglais, connu vers 1950 pour ses «tortues artificielles». Des mathématiciens de plus en plus nombreux furent attirés par cette nouvelle discipline, Walter Pitts aux États-Unis, Louis Couffignal en France, pour ne citer que les plus anciens; et, bien entendu, plusieurs physiologistes et médecins. En fait, la biocybernétique émergeait d’un mouvement plus vaste, qui visait à formaliser et à mathématiser celles des sciences de la vie qui étaient assez mûres pour s’y prêter. Elle apparaît donc comme une branche de cette biomathématique fondée par A. J. Lotka et V. Volterra, et largement développée par N. Rashevsky et l’école de Chicago sous le nom de biophysique mathématique. Elle se rattache aussi au mouvement plus récent qui s’intitule biologie théorique.

La biocybernétique se caractérise principalement par l’usage explicite ou implicite qu’elle fait, dans ses formalisations, du concept d’information pour rendre compte des interactions qui donnent à un système biologique considéré dans son ensemble son unité fonctionnelle et son efficacité dans l’action. Pour cette double raison, elle recoupe largement le domaine de l’informatique (c’est le champ qu’occupe la bio-informatique) et celui de l’automatique.

Enfin, on doit considérer les relations entre la biocybernétique et la cybernétique des systèmes artificiels. Ces derniers, automatismes asservis, adaptatifs ou autodidactes ^{[cf. AUTOMATIQUE]}, peuvent dans ces trois catégories «simuler» par certaines de leurs performances le comportement des systèmes vivants, en être des modèles plus ou moins fidèles et, par là, aider à en comprendre le fonctionnement. Il ne faut pas confondre cette démarche avec celle, inverse, de la bionique, qui s’inspire des dispositifs que présente le monde vivant pour essayer de trouver des solutions à certains problèmes pratiques qui se posent aux ingénieurs. Cependant, il est facile de comprendre que ces deux démarches ne peuvent rester indépendantes: en fait, elles n’ont cessé de se féconder mutuellement.

2. Les opérations de communication

Elles sont primordiales: sans communications d’informations entre composants, on ne peut parler de système. L’un des terrains favoris de la biocybernétique est celui des grands systèmes de la physiologie traditionnelle: systèmes respiratoire, circulatoire, digestif, endocrinien et nerveux. Ordinairement, on envisageait les communications sous l’angle des échanges de matière et d’énergie; la révolution cybernétique a consisté à faire comprendre l’intérêt de mettre l’accent, dans ces transactions, sur la notion d’information, c’est-à-dire sur les facteurs de pure forme, dégagés de leurs supports matériels et énergétiques, et qui se révèlent efficaces pour la communication et pour la commande de l’action. On s’attache alors, dans chaque système, à définir et à dénombrer les états discernables, leurs probabilités d’arrivée, la marge de l’aléatoire ou «bruit de fond», et l’on considère les séquences de tels états comme des messages propres à assurer certaines relations, à commander certaines actions. De tels états sont généralement représentés par des accroissements significatifs et reconnus efficaces, des variables d’état ou de commande. Ils se présentent comme les symboles d’un code, et les messages qu’ils constituent traduisent les formes d’évolution de variables aussi différentes qu’une pression artérielle, une hormone circulante ou une séquence de potentiels d’action nerveux, par exemple.

À côté de ses applications aux systèmes physiologiques, c’est en biologie moléculaire et en génétique que la biocybernétique des communications a connu ses plus brillants succès. Rappelons seulement que le code génétique met en jeu de longues séquences de quatre bases seulement, composantes de l’ADN (acide désoxyribonucléique), et que ce message, transporté par un acide ribonucléique (ARN messager), commande la biosynthèse des protéines. Celles-ci, à leur tour, sont porteuses d’informations, utilisables comme instructions dans des milliers d’opérations enzymatiques. Tout le développement embryonnaire dépend de ces instructions.

Pour revenir aux grandes fonctions de la physiologie, c’est évidemment le système nerveux qui présente, aux différents niveaux de complexité de ses structures, le maximum de possibilités par la richesse et la variété du contenu informationnel de ses messages, ainsi que par la rapidité de leur transmission.

À une terminologie calquée sur celle de la théorie physique des communications artificielles, la biocybernétique et tout particulièrement la neurocybernétique ajoutent l’usage de représentations formelles par diagrammes d’organisation et de fonctionnement, ou organigrammes . Ils font ressortir la structure des relations entre composants du système, que celles-ci reposent sur l’anatomie des connexions ou qu’elles soient purement fonctionnelles. Les composants eux-mêmes sont simplement représentés par un contour, «boîte noire» ou «compartiment», à une ou plusieurs entrées et sorties. De tels organigrammes peuvent être très complexes, et le système tout entier se compose de dizaines, de centaines (ou davantage encore) de compartiments, interconnectés de diverses façons: tantôt sous la forme de circuits, comme pour le système circulatoire; tantôt en parallèle, comme dans certains ensembles quasi homogènes de cellules (cybernétique des populations de neurones, des colonies bactériennes, etc.); tantôt fortement hiérarchisés, comme c’est souvent le cas pour le système nerveux et pour le système neuro-endocrinien.

Des exemples particuliers pourront être illustrés dans les articles spéciaux. La figure ci-dessous est assez générale pour aider à comprendre les points essentiels. On peut l’interpréter soit comme un système total pourvu de relations extérieures, soit comme un sous-système relié à une multiplicité d’autres composants, non figurés ici, d’un système plus complexe.

Ce système (S) possède une ou plusieurs entrées (e) et une ou plusieurs sorties (s), respectivement appelées, d’un côté, com-mande d’entrée, admission, afférences ou stimulus; de l’autre, commande de sortie, émission, efférences ou réponse. M représente le compartiment mémoire, qui peut manquer; b, les perturbations ou bruit; h¹, h², des contrôles hiérarchiques supérieurs: h¹ est un modulateur des afférences, h² s’exerce sur l’organisation du système (contrôle dit «paramétrique»); enfin – liaison la plus caractéristique d’un système cybernétique – la boucle de rétroaction B (feed-back ), avec le compartiment C, détecteur, comparateur et correcteur d’écarts par rapport à un programme p. Celui-ci, dans le cas le plus simple, peut être l’ordre de maintenir la réponse constante, mais il peut aussi assigner au système une séquence prédéterminée d’états ou, enfin, lui permettre de s’adapter d’une certaine manière à des variations imprévisibles de l’environnement, détectées par les récepteurs sensoriels de l’entrée.

3. Les propriétés de système

Les systèmes biologiques, composés de matériaux fragiles, en perpétuel renouvellement, doivent leur apparence de stabilité et leur relative indépendance à l’égard du milieu au travail incessant de dispositifs de régulation dans lesquels les boucles de retour à rétroaction négative jouent le rôle primordial. Ainsi, la fixité de la composition du «milieu intérieur», dont Claude Bernard a dit qu’elle était «la condition de la vie libre et indépendante», s’explique par de telles rétroactions, lesquelles supposent l’existence de détecteurs de déviations et la possibilité de communications d’information appropriées aux appareils capables de corriger les écarts. La tâche essentielle du physiologiste est justement d’analyser le mécanisme de ces régulations, pour lesquelles l’Américain W. B. Cannon a forgé le terme général d’homéostasie .

La régulation de la température chez les animaux homéothermes, le maintien des taux normaux du sang en sucre, en graisses, en protéines, en sels minéraux, en ions H⁺ donnent lieu à des organigrammes cybernétiques, parfois fort compliqués. Le système nerveux, de son côté, est peuplé de boucles de rétroaction inhibitrices qui tempèrent l’intensité de ses décharges internes d’influx, contrôlent le volume de ses entrées sensorielles – freinant notamment les messages dolorigènes – et régularisent le décours des mouvements volontaires, dont la tendance à présenter des oscillations est constamment neutralisée. On comprend que l’origine de beaucoup de troubles pathologiques est à attribuer à une défaillance de ces dispositifs de rétroaction négative. Lorsque celle-ci devient positive, des états convulsifs apparaissent; telle est l’origine de la crise épileptique.

Il y a aussi une biocybernétique cellulaire et, à ce niveau, également des mécanismes d’homéostasie, dont la défaillance explique la prolifération cancéreuse. À l’échelle des macromolécules elles-mêmes, qui peuvent être les supports d’un code, des régulations ont lieu, provoquées par un retour de l’effet sur la cause, tels les processus allostériques par lesquels une activité enzymatique peut être placée sous le contrôle inhibiteur du produit terminal, tel aussi le mécanisme de «répression» de la synthèse de l’ARN messager par la protéine qu’il encode (J. Monod et F. Jacob, J. S. Griffith).

La plus importante propriété, comme système, d’un objet biologique, est sa persistance, malgré sa fragilité, dans un environnement souvent hostile, autrement dit sa survie, son apparence de stabilité , compatible cependant avec une certaine adaptabilité aux variations incessantes du milieu. En fait, les systèmes vivants perturbés ne retournent jamais vraiment à leur état initial, mais trouvent constamment de nouveaux états d’équilibre parmi un champ cohérent de nombreux états métastables (propriété d’ultra-stabilité). W. Ross von Ashby a, en outre, qualifié de multistables les systèmes formés d’une collection hétérogène de sous-systèmes ultra-stables associés par des liens assez lâches. Ces systèmes dynamiques, dont des modèles ont été construits, sont capables de changer de configuration, de telle sorte qu’ils peuvent s’adapter à des changements importants du milieu. C’est un aspect de leur capacité d’apprentissage , propriété qui a donné lieu à un nombre considérable d’études biocybernétiques.

Une autre propriété générale, liée à la précédente, est l’extraordinaire aptitude des systèmes vivants à maintenir ou à récupérer, à peu près inchangé, leur comportement global, malgré des mutilations parfois importantes. C’est particulièrement le cas du cerveau.

4. Les opérations de commande

Les commandes exercées par un système vivant agissant sur son environnement physique, ou sur un autre système vivant, sont finalement l’objet d’étude essentiel de la biocybernétique considérée comme «science de l’efficacité de l’action», selon la définition de L. Couffignal, à condition toutefois que les phénomènes soient analysés sous l’angle de leur contenu informationnel. En général, ces commandes dites «de sortie» apparaissent en réponse à des commandes «d’entrée», celles que le système subit de la part de son environnement physique ou biologique. Après le stade simplement représentatif des organigrammes, la biocybernétique atteint son niveau le plus élevé lorsqu’elle réussit, à l’instar de la cybernétique des systèmes artificiels, à établir une correspondance mathématique entre les deux ensembles de variables de commande exprimées dans les codes qui leur conviennent. Cela peut apparaître sous la forme de matrices, ou se prêter à une expression analytique ou fonction de transfert , concrétisée dans des modèles analogiques; on utilise aussi beaucoup la logique mathématique, le plus souvent booléenne et binaire (modèles digitaux), et le calcul des probabilités (modèles stochastiques).

Un cas particulier intéressant est celui dans lequel des commandes de sortie apparaissent en l’absence de commandes d’entrée. On dit alors que le système agit de façon «spontanée», terme ambigu mais consacré par l’usage. Ces commandes empruntent leur contenu informationnel à un ordre interne , ce qui n’exclut pas une fourniture extérieure d’énergie. Dans cette catégorie entrent ce que l’on appelle parfois des « horloges biologiques » (pacemakers cardiaque et respiratoire, cycle ovarien, micro-rythmes nerveux, rythmes «circadiens» persistant chez des sujets soustraits à l’alternance jour-nuit, etc.).

Lorsqu’une relation entrée-sortie existe, elle peut prendre différentes formes. L’une des plus banales en physiologie est celle de la relation du type stimulus-réponse comme dans un réflexe. Les réflexes, qu’ils soient sensorimoteurs ou qu’ils mettent en jeu des systèmes neuroendocriniens ou neurovégétatifs, sont généralement contrôlés par une ou plusieurs boucles de contre-réaction. Pour plusieurs d’entre eux, l’expression mathématique d’une fonction de transfert a pu être établie avec succès, de la même façon que les ingénieurs calculent les propriétés d’un servomécanisme.

L’une des meilleures analyses du genre est sans doute celle qui a porté sur le réflexe de l’iris à l’éclairement de l’œil, d’après L. Stark et P. M. Sherman. On sait que le diamètre pupillaire varie avec l’éclairement, qu’il diminue lorsque le flux lumineux augmente et inversement. Avec une légère variation sinusoïdale de l’éclairement à différentes fréquences, on peut tracer un diagramme (amplitude-phase) de Nyquist et déterminer les conditions de stabilité, comme pour un servomécanisme.

Dans les systèmes dépourvus ou expérimentalement privés de boucles de rétroaction, et ayant une prédominance de liaisons parallèles, la structure de l’information à l’entrée peut être préservée à la sortie, au moins dans ses grands traits: le système est alors assimilable à une ligne de transmission, comme dans les voies nerveuses primaires de la sensibilité.

Dans les systèmes plus complexes, l’information de sortie ne montre généralement pas de relation simple avec l’information d’entrée. Celle-ci, au-dessus d’un certain seuil, provoque le déclenchement de processus internes plus ou moins compliqués. On a pu cependant parfois assimiler le système à une machine calculatrice et reconnaître dans la fonction de transfert une sommation, une différenciation, une transformation logarithmique, une fonction de puissance, un calcul d’autocorrélation, etc.; mais, le plus souvent, on admet qu’il s’agit d’opérations de reconnaissance de forme (en anglais, pattern recognition ), comme une serrure de sûreté «reconnaît» le profil de la clef qui lui est adaptée. De telles congruences se produisent fréquemment à l’échelle des conformations moléculaires, dans les processus enzymatiques, hormonaux, immunologiques, pharmacologiques. On les retrouve au sein des réseaux de neurones où les configurations multiformes des points actifs (synapses) sont les facteurs déterminants de toute activité nerveuse centrale, y compris celle qui est à la base du travail mental.

La forme, une fois «reconnue» par un effet de conformation stérique ou de résonance, ou à la suite d’un traitement approprié des messages d’entrée, agit en déclenchant la commande, autrement dit en mettant en route un programme d’action latent. Des chromosomes aux circuits nerveux des commandes motrices stéréotypées, les organismes vivants renferment à chaque niveau de complexité des collections de tels programmes.

5. Applications médicales

La biocybernétique, par l’aide puissante qu’elle apporte au biologiste, au physiologiste, au médecin, comme la discipline apte à faire mieux comprendre l’intrication des causes et des effets dans le fonctionnement des organismes vivants, conduit nécessairement à des progrès dans l’ordre des applications pratiques, qu’il s’agisse d’établir un diagnostic ou de régler une thérapeutique. Elle a déjà eu de profondes influences en cardiologie, en physiopathologie respiratoire, en néphrologie, et surtout en neurologie. Ainsi, dans ce dernier cas, elle a permis de mieux saisir le mécanisme de certains troubles moteurs, comme la raideur parkinsonienne, les clonies, les tremblements et, d’une façon générale, les ataxies.

Par sa terminologie précise, qui a permis de dégager certains concepts des anciennes confusions, par ses formalisations mathématiques et l’utilisation abondante qu’elle fait des représentations graphiques, elle a une valeur didactique indéniable dès qu’il s’agit de faire comprendre le fonctionnement des systèmes complexes. L’enseignement médical profite aussi d’autres aspects de la cybernétique générale, tels les organigrammes pour l’établissement d’un diagnostic, les rapports malade-médecin, les opérations de gestion d’un ensemble hospitalier. Il existe une Société internationale de médecine cybernétique qui tient des congrès réguliers.

Enfin, la biocybernétique, inspiratrice de modèles qui visent à imiter concrètement les possibilités des organes naturels, peut suggérer de précieuses solutions pour la réalisation des prothèses. Les dispositifs d’assistance circulatoire et la technologie des membres artificiels, notamment, ont déjà largement bénéficié de cette méthode.

Encyclopédie Universelle. 2012.