Quel est le point commun entre le cerveau et la bourse ? Bien que cela puisse ressembler à une plaisanterie, de nouvelles recherches menées par des chercheurs de l’UM révèlent que les comportements des cerveaux et des économies pendant les crises peuvent être expliqués à l’aide d’observations courantes dans le domaine de la physique. Leurs travaux sont publiés dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.
UnCheol Lee, Ph.D. du département d'anesthésiologie de l'UM et son équipe collaborative ont eu l'idée après avoir observé que certains patients sous anesthésie se rétablissent plus rapidement que d'autres.
« Les médicaments anesthésiques peuvent être considérés comme introduisant une crise contrôlée dans le cerveau, interrompant le réseau cérébral pour provoquer une perte de conscience », a expliqué Lee.
Il se demande si la reprise après une crise comme l'anesthésie est analogue à la reprise d'un pays après une crise économique, comme un krach boursier, et si les deux exemples d'effondrement peuvent être décrits par un principe fondamental qui pourrait ensuite être utilisé pour prédire le résultat.
Les cerveaux et les marchés boursiers peuvent sembler complètement différents, mais ils se comportent de manière étonnamment similaire. Les deux sont des systèmes complexes qui fonctionnent normalement dans un état d’équilibre délicat, une condition que les scientifiques appellent criticité, où ils fonctionnent de la manière la plus flexible, efficace et informative. Lorsque cet équilibre est rompu, le système peut soudainement sombrer dans la crise, perdant ainsi ces avantages.
En physique, ces changements sont appelés transitions de phase, qui peuvent se produire soit brusquement (transition de premier ordre), soit progressivement (transition de second ordre). Par exemple, l’eau qui gèle et se transforme en glace est une transition de premier ordre : une légère baisse de température peut provoquer une transition brusque. En revanche, un aimant perdant lentement son magnétisme à mesure qu’il se réchauffe constitue une transition du second ordre, plus graduelle et plus résiliente aux perturbations.
L’équipe du Michigan a découvert que les deux types de transitions se produisent non seulement dans le cerveau pendant l’anesthésie lorsque les patients perdent et reprennent conscience, mais également sur les marchés financiers lorsqu’ils s’effondrent et se rétablissent pendant les crises économiques.
À l’aide d’un modèle informatique, ils ont cherché à estimer si un réseau donné constituait une transition du premier ou du deuxième ordre à son point de bascule. Les réseaux de type transition de phase de premier ordre, caractérisés par des perturbations explosives et instables, étaient plus susceptibles de s’effondrer brusquement et présentaient une récupération plus lente après une crise.
« Avec le modèle, nous avons modéré le type de transition de phase et généré des données de séries chronologiques, analysé les données et essayé d'identifier les caractéristiques des signaux des transitions de premier et de second ordre. Nous avons constaté qu'un réseau de transition de premier ordre présente une plus grande variance de synchronisations de réseau », a expliqué Lee.
Grâce à ces résultats, ils ont pu caractériser les réseaux comme étant de premier ou de second ordre et prédire si un réseau connaîtrait un effondrement et une reprise rapides ou progressifs avant qu'une crise ne survienne.
Ils ont testé le modèle à l’aide d’études sur la crise des prêts hypothécaires à risque de 2007 à 2009 et de lectures d’EEG de patients sous anesthésie. Pour les marchés boursiers, ceux qui sont plus proches d’une transition de premier ordre ont connu un effondrement plus rapide et une reprise plus lente après la crise, et les pays les plus proches du premier ordre (transition explosive) ont tendance à être des marchés émergents avec un produit intérieur brut par habitant plus faible.
Lorsqu'ils ont été appliqués à l'enregistrement EEG de patients sous anesthésie, ils ont découvert que la proximité du cerveau avec une transition de premier ordre prédisait la rapidité ou la lenteur avec laquelle les patients perdaient et reprenaient conscience.
La prévision de l’effondrement du réseau a de nombreuses applications potentielles, depuis l’amélioration de la sécurité de l’anesthésie en fonction des caractéristiques individuelles du cerveau jusqu’au déploiement potentiel de méthodes permettant de surmonter plus efficacement d’autres transitions dans le domaine de la finance ou du changement climatique.
George Mashour, MD, Ph.D., auteur principal de l'article et fondateur du UM Center for Consciousness, a ajouté : « Le travail du Dr Lee est très innovant. Tirer parti de la science des réseaux pour comprendre la dynamique commune du cerveau et d'autres systèmes complexes est un objectif de longue date de notre Centre.
