JA Scott Kelso - J. A. Scott Kelso
JA Scott Kelso (né en 1947 à Derry , en Irlande du Nord ) est un neuroscientifique et professeur de systèmes complexes et de sciences du cerveau, professeur de psychologie , de sciences biologiques et de sciences biomédicales à la Florida Atlantic University (FAU) à Boca Raton, en Floride et à l'Université de Ulster (Magee Campus) à Derry, Irlande du Nord.
Kelso a travaillé sur la dynamique de coordination , la science de la coordination et sur les mécanismes fondamentaux sous-jacents aux mouvements volontaires et leur relation avec la dynamique de coordination à grande échelle du cerveau humain.
Ses recherches expérimentales à la fin des années 1970 et au début des années 1980 ont conduit au modèle HKB ( Haken – Kelso – Bunz ), une formulation mathématique qui décrit et prédit quantitativement comment les formes élémentaires de comportement coordonné apparaissent et changent de manière adaptative en raison d'interactions non linéaires entre les composants.
Biographie
Kelso est né dans la ville de Derry , en Irlande du Nord . Il a fréquenté le Foyle College (1958-1965), où il a fait ses études de premier cycle au Stranmillis University College de Belfast de 1965 à 1969, et à l' Université de Calgary , en Alberta, de 1971 à 1972. Il a obtenu son doctorat à l' Université du Wisconsin, à Madison, en 1975.
De 1976 à 1978, Kelso a été professeur adjoint et directeur du Motor Behaviour Laboratory à l' Université de l'Iowa . Entre 1978 et 1985, il a été chercheur scientifique principal aux laboratoires Haskins de l'Université Yale à New Haven, Connecticut et professeur de psychologie et de sciences biocomportementales (Unité de génétique comportementale ) à l' Université du Connecticut .
En 1985, il a fondé le Center for Complex Systems and Brain Sciences à la Florida Atlantic University, un centre de recherche interdisciplinaire qui comprend des neuroscientifiques, des mathématiciens appliqués, des physiciens, des psychologues et des informaticiens hébergés dans la même installation physique, travaillant ensemble sur des problèmes communs de complexes, biologiques des systèmes allant des molécules aux esprits. Kelso dirige une équipe de chercheurs au Laboratoire du cerveau et du comportement humains du Centre.
Depuis 1985, Kelso est titulaire de la chaire Glenwood et Martha Creech Eminent Scholar en sciences à la Florida Atlantic University, où il est également professeur de psychologie , de sciences biologiques et de sciences biomédicales . Kelso a été directeur de programme du programme national de formation du NIMH sur les systèmes complexes et les sciences du cerveau à la Florida Atlantic University entre 1987 et 2005. En collaboration avec l'administration de la FAU et le bureau du chancelier du système universitaire d'État, Kelso a aidé à établir le doctorat du centre en Systèmes complexes et sciences du cerveau.
En 1995, Kelso a co-dirigé la Summer School in Complex Systems au Santa Fe Institute . Il a été président de la section sud de la Floride de Sigma Xi , la Scientific Research Society, de 1995 à 1999. Il est membre du conseil scientifique du Plexus Institute, du Conseil mondial des instituts Einstein et du conseil consultatif de l'Intelligent Centre de recherche sur les systèmes à l'Université d'Ulster Magee Campus.
Kelso a occupé des postes de professeur invité en France, en Allemagne, en Russie et (actuellement) en Irlande. Il a également donné de nombreuses conférences aux États-Unis et à l'étranger. Il a reçu de nombreux honneurs et récompenses pour ses recherches scientifiques. En 2007, il est nommé Lauréat Pierre de Fermat.
Travail
L'objectif de la recherche de Kelso est de comprendre comment les êtres humains (et les cerveaux humains - individuellement et ensemble) coordonnent le comportement. Kelso et son équipe de recherche utilisent actuellement des techniques de neuroimagerie non invasives ( EEG , MEG , IRMf , PET , etc.) et des outils statistiques pour recueillir des informations sur la structure et la fonction du cerveau pendant le comportement en temps réel.
Au cours des 30 dernières années environ, avec des collègues travaillant dans des laboratoires du monde entier, il a participé à une science interdisciplinaire appelée dynamique de coordination . La dynamique de coordination est un cadre empirique et conceptuel qui tente d'expliquer comment les modèles de coordination se forment, persistent, s'adaptent et changent. Les connaissances de la dynamique de coordination ont été appliquées pour prédire le comportement dans différents types de systèmes à différents niveaux d'analyse.
La dynamique de coordination est fondée sur les concepts de synergétique et les outils mathématiques des systèmes dynamiques (voir théorie des systèmes dynamiques non linéaires et synergétique ). Mais la dynamique de coordination cherche à modéliser des propriétés spécifiques de la cognition humaine , de la neurophysiologie et de la fonction sociale - telles que l'anticipation, l'intention, l'attention, la prise de décision et l'apprentissage. La principale affirmation de la dynamique de coordination est que la coordination des neurones dans le cerveau et les actions coordonnées des personnes et des animaux sont liées en raison du partage d'une structure mathématique ou dynamique commune.
Kelso a travaillé sur la métastabilité en neurosciences . Ce concept a suscité un intérêt croissant parmi les neuroscientifiques théoriques et computationnels, car il fournit une formalisation mathématique de l'idée que les parties individuelles du cerveau peuvent d'une part être spécialisées et séparées, mais d'autre part fonctionner comme un tout intégré.
Premiers travaux
Les premiers travaux de Kelso utilisaient des techniques de blocage nerveux pour couper les entrées sensorielles des membres chez l'homme. Ses expériences ont montré que même sans conscience consciente de la position des membres, les humains pouvaient se déplacer avec précision vers les emplacements souhaités dans l'espace. Parallèlement aux travaux menés par Polit et Bizzi sur les singes au MIT, les recherches de Kelso ont été essentielles pour aider à établir la théorie du point d'équilibre du contrôle moteur postulée à l'origine par Anatol Feldman. Puis, en travaillant avec ses étudiants David Goodman et Dan Southard, il a démontré - en utilisant une technique de diode électroluminescente pulsée bien avant l'ère de l'analyse sophistiquée du mouvement assistée par ordinateur - que le cerveau contrôle les mouvements complexes et coordonnés des membres supérieurs en exploitant les synergies fonctionnelles, une notion initialement avancée par le physiologiste et cybernéticien russe Nicolai Bernstein. D'autres travaux à Haskins Labs utilisant une combinaison de nouvelles techniques de perturbation, d'enregistrements cinématiques et intramusculaires ont découvert que le contrôle et la coordination de gestes vocaux complexes reposaient également sur des synergies fonctionnelles ou des structures de coordination. En se demandant comment des synergies pourraient se former dans les systèmes moteurs, Kelso est passé de la neurophysiologie sherringtonienne aux théories de l'auto-organisation, en particulier au domaine interdisciplinaire naissant des synergétiques fondé par Hermann Haken. À cette époque, la compréhension dominante du mouvement animé était que le comportement est déterminé par un « programme central », un ensemble préétabli d'instructions qui prescrivent comment un ensemble de composants biomécaniques doit se comporter. En revanche, Kelso a montré expérimentalement que le comportement peut également émerger de manière auto-organisée, à la suite d'interactions hautement non linéaires entre de nombreux éléments interconnectés. Ses expériences ont été les premières à démontrer l'existence de transitions de phase - des changements soudains et spontanés d'un état coordonné à un autre en tant que paramètre est continuellement varié. Les transitions de phase sont un mécanisme de base de l'auto-organisation dans la nature et les expériences de Kelso, qui ont été répétées de nombreuses fois, ont été les premières à les montrer dans les mouvements coordonnés des êtres humains.
modèle HKB
Kelso et ses collègues ont démontré plus tard que la plupart des complexités du comportement moteur coordonné dans des systèmes complexes à plusieurs degrés de liberté peuvent être dérivées de lois mathématiques relativement simples, mais non linéaires. Pour une revue de ce travail, voir Kelso et al. (1987) et Schöner et Kelso (1988) En particulier, Kelso a développé un modèle mathématique en collaboration avec l'éminent physicien théoricien Hermann Haken , le père de la théorie laser et de la synergie . Ce « modèle HKB » a pu dériver des formes de base de coordination observées dans les expériences de Kelso en utilisant un système de relations non linéaires entre les éléments de coordination individuels. Le modèle HKB a expliqué et prédit des observations expérimentales telles que le « ralentissement critique » et les « fluctuations accrues » associées à l'instabilité et des changements dramatiques dans la coordination. Les extensions ultérieures de HKB ont pris en compte les effets du bruit, de la symétrie brisée, de plusieurs composants hétérogènes en interaction, des processus de recrutement-annihilation, de la stabilisation paramétrique et du rôle des environnements changeants sur la coordination
Travail d'imagerie cérébrale
Par la suite, Kelso et ses collègues sont passés de la main au cerveau, utilisant de grands réseaux de magnétomètres SQUID pour enregistrer l'activité neuromagnétique du cerveau et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle pour enregistrer l'activation BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) dans les régions du cerveau. Ce travail a montré que les formes mathématiques observables dans le mouvement coordonné des mains (telles que les transitions de phase), étaient également observables dans les images de l'activité cérébrale. Ou, comme le dit Kelso, « la même dynamique de coordination régit l'activité cérébrale et le comportement humain ». Par exemple, sur la base d'enregistrements et d'analyses de l'activité cérébrale humaine, Viktor Jirsa et Armin Fuchs ainsi que Kelso ont pu dériver les équations de coordination HKB au niveau comportemental à partir d'un modèle anatomique et physiologique plus réaliste du substrat neuronal sous-jacent.
Les recherches en cours
Les travaux actuels de Kelso se concentrent sur la question de savoir si les mêmes principes et mécanismes de dynamique de coordination s'appliquent également aux cerveaux humains travaillant ensemble dans des contextes sociaux. À l'aide de grands réseaux d'électrodes maintenant disponibles dans le domaine de l'électroencéphalographie (EEG), lui et ses collègues ont image le cerveau de paires d'humains, alors qu'ils effectuent des mouvements de main coordonnés. Remarquablement, l'équipe de Kelso a identifié des signatures dans le cerveau qui correspondent au fait que les humains se coordonnent ensemble ou agissent indépendamment. Dans un autre axe de recherche, Kelso et ses collègues ont créé une nouvelle façon de comprendre l'interaction en temps réel entre un humain et une machine, appelée Virtual Partner Interaction (VPI). Dans VPI, les humains se coordonnent avec un partenaire virtuel dont le comportement est piloté par une version informatisée des équations HKB, connues pour régir les formes de base de la coordination humaine. Le VPI est une approche fondée sur des principes de l'interaction homme-machine et peut ouvrir de nouvelles voies pour comprendre comment les humains interagissent avec des machines ressemblant à des humains.
Livres
Le premier livre complet de Kelso, Dynamic Patterns : The Self-Organization of Brain and Behavior (MIT Press, 1995) résume les 20 premières années de ses travaux théoriques et expérimentaux sur la coordination, et soutient que la création et l'évolution du comportement niveaux—des neurones à l'esprit—est régi par les processus dynamiques de l'auto-organisation. Le livre est écrit pour le lecteur général et utilise des exemples et des illustrations expérimentaux simples pour transmettre des concepts, des stratégies et des méthodes essentiels, avec un minimum de mathématiques.
Avec Viktor Jirsa, Kelso a édité le livre Coordination Dynamics: Issues and Trends (Springer, 2004). Kelso est également l'éditeur fondateur de la série Springer sur « Understanding Complex Systems » et a siégé aux comités de rédaction de 10 revues/périodiques scientifiques dans diverses disciplines.
Le deuxième livre complet de Kelso, écrit avec son ancien postdoctorant David A. Engstrøm, est The Complementary Nature (MIT Press, 2006). Ce livre tente de concilier ce qu'il appelle « la philosophie des couples complémentaires » avec la science de la dynamique de coordination. Des paires d'opposés se retrouvent partout dans la nature et dans la science (par exemple coopération et compétition, intégration et ségrégation, individuel et collectif, soi et autre, corps et esprit, nature et culture, etc. etc.). Kelso et Engstrøm soutiennent que ces paires ne sont pas mutuellement exclusives, mais complémentaires. Ils proposent une théorie scientifique complète et empirique sur la façon dont les contraires peuvent être conciliés sur la base de la théorie de Kelso de la dynamique de coordination métastable. L'essence de la théorie est que le cerveau humain est capable d'afficher deux comportements apparemment contradictoires et mutuellement exclusifs - l'intégration et la ségrégation - en même temps. Kelso et Engstrøm utilisent le tilde, ou gribouillis (~), comme symbole des paires complémentaires réconciliées (par exemple corps~esprit, nature~nurture). Le gribouillis expose une vérité fondamentale : des aspects complémentaires et leur dynamique sont nécessaires pour une description et une compréhension exhaustives des phénomènes et systèmes complexes de la vie, de l'esprit, de la société et de la nature.
Publications
Scott Kelso a publié de nombreux articles et livres. Une sélection:
- 1973. Le bloc de compression nerveuse comme déterminant des paramètres comportementaux et neurologiques
- 1982. Comportement moteur humain : une introduction .
- 1982. Le développement du contrôle et de la coordination des mouvements , avec Jane E. Clark.
- 1995. Modèles dynamiques : l'auto-organisation du cerveau et du comportement
- 2004. Dynamiques de coordination : enjeux et tendances , avec Viktor K. Jirsa
- 2006. La complémentarité , avec David A. Engstrøm