• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Neurophysiologie : circuits neuronaux : boucles de régulation
Contrôle en boucle ouverte (feedforward ou open-loop control)

Sommaire
définition

Un système de régulation (ou de contrôle) gère, commande, dirige ou régule le comportement d'autres dispositifs ou systèmes à l'aide de boucles de contrôle.

Systèmes de contrôle
Systèmes de contrôle
(Figure : vetopsy.fr)

Ce peut être des machines plus ou moins complexes, dont l'exemple classique est la chaudière avec son thermostat.

On peut définir deux grands types de système de contrôle :

Remarque : On peut définir un troisième système qui est le système en boucle ouverte " pur " (open-loop system). Prenons comme exemple la direction manuelle non assistée d'une automobile.

  • Le système de direction n'a pas accès à une source d'alimentation auxiliaire et ne répond pas à une résistance variable à la rotation des roues directrices.
  • Le conducteur doit faire cette réponse sans l'aide du système de direction.
bien

Les boucles de régulation, fermées ou ouvertes, contrôlent la précision et la vitesse des dans les circuits neuronaux.

Notions de régulation

1. Pour bien comprendre cette notion de régulation, on peut prendre comme exemple simple le réflexe monosynaptique d'étirement, appelé aussi réflexe myotatique, étudié dans le chapitre sur les chaînes neuronales.

  • Régulation d'un réflexe myotatique
    Régulation d'un réflexe myotatique
    (Figure : vetopsy.fr)
    Si on isole un fibre musculaire, ses variables longueur-tension présente une évolution passive.
  • In vivo, le contrôle médullaire amène le système moelle-muscle à garder la longueur du muscle à peu près constante.

Les fuseaux neuromusculaires sont des mécanorécepteurs qui enregistrent l'étirement des muscles et vont intervenir pour qu'il n'y ait pas de rupture musculaire.

2. Le système à rétroaction négative est un des dispositifs les plus utiles et les plus fréquemment rencontrés dans de telles boucles.

bien

Tout dérèglement du système vis-à-vis d'une norme de son fonctionnement est réintroduit par un moyen approprié dans l'élément de contrôle et celui-ci corrige la défaillance relevée.

Contrôle en boucle ouverte (feedforward ou open-loop control)

definition

Le contrôle en boucle ouverte (feedforward ou open-loop control) implique de ne pas prendre en compte la réponse de ce système (output), réponse appelée rétroaction (feedback), i.e. ici, le contrôle est extérieur.

Machines

Exemples

1. Pour prendre l'exemple simple d'un chauffage central, son fonctionnement serait uniquement contrôlé par une minuterie, i.e. la chaleur est produite pendant une durée précise sans tenir compte de la température.

  • Programmateur
    Programmateur
    Comme les systèmes à boucle ouverte n'ont pas de contrôle rétroactif, ils exigent d'autres moyens pour réduire l'erreur et la variabilité, en particulier en fournissant un signal de contrôle qui anticipe l'erreur possible
  • Les interrupteurs, i.e. ici marche/arrêt de la chaudière, sont le plus souvent le signa le contrôle de ces systèmes.

2. Si nous revenons à la direction de notre automobile, une direction assistée aura accès à une source d'alimentation auxiliaire contrôlée, qui dépend du régime moteur (loupe direction assistée).

  • Lorsque le volant est tourné, une valve est ouverte qui permet au fluide sous pression de faire tourner les roues motrices. Un capteur surveille cette pression de sorte que la soupape ne s'ouvre que suffisamment pour que la pression correcte atteigne le mécanisme de rotation de la roue.
  • Il s'agit d'une commande par anticipation (ou commande prédictive) où la sortie du système, le changement de sens de marche du véhicule, ne joue aucun rôle dans le système.

Avantages/inconvénients

1. Les avantages de ces machines sont dans la réduction du nombre de leurs constituants, i.e. simplicité et bas coût de revient.

2. Les désavantages d'un tel système sont aussi évidents, car il ne peut pas prendre en compte les erreurs qu'il commet ou les perturbations extérieures.

  • Dans l'exemple précédent, si la température était la variable contrôlée, i.e. la réponse du système (loupecontrôle en boucle fermée ou rétroaction), on ferait des économies d'énergie.
  • Si on dispose d'un arrosage automatique, il faudrait qu'il ne s'allume pas s'il a plu, mais qu'il se mette en marche lorsque le temps est sec…
pas bien

Un système en boucle ouverte ne peut pas s'engager dans l'apprentissage automatique (machine learning).

L'apprentissage automatique, apprentissage artificiel ou apprentissage statistique est un champ d'étude de l'intelligence artificielle.

  • Il se fonde sur des approches mathématiques et statistiques pour donner aux ordinateurs la capacité d'apprendre à partir de données, c'est-à-dire d'améliorer leurs performances à résoudre des tâches sans être explicitement programmés pour chacune.
  • Plus largement, il concerne la conception, l'analyse, l'optimisation, le développement et l'implémentation de telles méthodes.

3. Toutefois, dans les machines, les contrôles à boucle ouverte sont utiles dans des systèmes dans lesquels la variable de sortie (output) est calculée facilement par une formule mathématique.

Systèmes vivants

1. Les contrôles à boucle ouverte sont nécessaires dans des systèmes qui doivent répondre tellement rapidement qu'aucun délai n'est suffisamment court pour qu'une voie de rétroaction puisse intervenir.

De telles dispositions se rencontrent dans le cervelet par exemple.

2. Dans les systèmes vivants, une anticipation précise peut résulter d'un apprentissage antérieur.

Le contrôle par anticipation ou commande par anticipation peut être assimilé à des réponses d'anticipation apprises à des signaux connus, i.e. par codage prédictif.

  • Par exemple, une régulation par rétroaction du rythme cardiaque offre une capacité d'adaptation supplémentaire aux éventualités de course d'un effort physique.
  • Retirer la main lorsqu'elle touche un objet chaud est automatique, si on s'est déjà brûlé.
  • Mais, ce processus se rapporte à bien phénomènes cérébraux.
Codage prédictif
Codage prédictif
(figure : blog-lecerveau.org)

En effet, Le cerveau construit un modèle génératif interne du monde (carte du monde) qui incarne une prédiction de ce qui sera observé ensuite : les erreurs de prédiction (PE) peuvent alors être considérées comme une mesure de la qualité d'une telle supposition.

livre

Le codage prédictif et les erreurs de pédiction sont traités dans des chapitres spéciaux.

Dans le cerveau, on observe :

  • des " vagues " d'activité de feedforward, propageant des informations des zones inférieures aux zones supérieures (bottom-up),
  • des " vagues " d'activité de de feedback, i.e. rétroaction ou rétrocontrôle, transportant des informations dans la direction opposée, des aires supérieures vers les zones inférieures (up-bottom).
bien

Or, les connexions de feedback (up-bottom) l'emportent largement sur les connexions de feedforward (bottom-up), même dans des zones sensorielles très élémentaires comme, par exemple, entre l'aire visuelle V1 ou le corps génouillé latéral (LGN).

3. On peut généraliser ces boucles aux apprentissages moteurs ou habiletés motrices " volontaires " qui sont acquis en trois stades.

  • Le stade cognitif au cours duquel le sujet réfléchit aux différents aspects de la tâche, et aux conséquences de ses actions.
  • Le stade associatif pendant lequel le sujet expérimente des solutions par essais et erreurs, et définit les stratégies couronnées de succès
  • Le stade automatique au cours duquel le sujet réalise ses actes sans en prendre conscience, et avec une variabilité réduite.

Le dernier stade présente les caractéristiques de boucle ouverte.

Contrôle en boucle fermée : boucle de rétroaction (feedback ou closed-loop control)