Nos pensées sont spécifiées par nos connaissances et nos plans, mais notre cognition peut également être rapide et flexible dans le traitement de nouvelles informations. Comment la nature bien contrôlée et pourtant très agile de la cognition émerge-t-elle de l'anatomie du cerveau composée de milliards de neurones et de circuits ? Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire du MIT fournit de nouvelles preuves issues de tests sur les animaux selon lesquelles la réponse pourrait être une théorie appelée « informatique spatiale ».
Proposée pour la première fois en 2023 par le professeur Earl K. Miller de Picower et ses collègues Mikael Lundqvist et Pawel Herman, la théorie du calcul spatial explique comment les neurones du cortex préfrontal peuvent être organisés à la volée en un groupe fonctionnel capable d'effectuer le traitement de l'information requis par une tâche cognitive. De plus, cela permet aux neurones de participer à plusieurs de ces groupes, car des années d’expériences ont montré que de nombreux neurones préfrontaux peuvent effectivement participer à plusieurs tâches à la fois. L'idée de base de la théorie est que le cerveau recrute et organise des « groupes de travail » ad hoc de neurones en utilisant des ondes cérébrales de fréquence « alpha » et « bêta » (environ 10-30 Hz) pour appliquer des signaux de contrôle aux zones physiques du cortex préfrontal. Plutôt que de devoir se reconnecter à de nouveaux circuits physiques à chaque fois qu'une nouvelle tâche doit être effectuée, les neurones du patch traitent les informations en suivant les schémas d'excitation et d'inhibition imposés par les ondes.
Considérez les ondes de fréquence alpha et bêta comme des pochoirs qui façonnent quand et où dans le cortex préfrontal des groupes de neurones peuvent capter ou exprimer des informations provenant des sens, a déclaré Miller. De cette façon, les ondes représentent les règles de la tâche et peuvent organiser la manière dont les neurones « augmentent » électriquement pour traiter le contenu informationnel nécessaire à la tâche.
« La cognition concerne l'auto-organisation neuronale à grande échelle », a déclaré Miller, auteur principal de l'article dans Biologie actuelle et membre du corps professoral du Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT. « L'informatique spatiale explique comment le cerveau fait cela. »
Tester cinq prédictions
Une théorie n'est qu'une idée. Dans l'étude, l'auteur principal Zhen Chen et d'autres membres actuels et anciens du laboratoire de Miller ont mis l'informatique spatiale à l'épreuve en examinant si cinq prédictions qu'elle fait sur l'activité neuronale et les modèles d'ondes cérébrales étaient réellement évidentes dans les mesures effectuées dans le cortex préfrontal des animaux alors qu'ils s'adonnaient à deux tâches de mémoire de travail et une de catégorisation. Dans toutes les tâches, il y avait des informations sensorielles distinctes à traiter (par exemple « un carré bleu apparaissait sur l'écran suivi d'un triangle vert ») et des règles à suivre (par exemple « lorsque de nouvelles formes apparaissent à l'écran, correspondent-elles aux formes que j'ai vues auparavant et apparaissent-elles dans le même ordre ? »)
Les deux premières prédictions étaient que les ondes alpha et bêta devraient représenter les contrôles et les règles des tâches, tandis que l'activité de pointe des neurones devrait représenter les entrées sensorielles. Lorsque les chercheurs ont analysé les ondes cérébrales et les pics de lecture recueillis par les quatre réseaux d'électrodes implantés dans le cortex, ils ont constaté que ces prédictions étaient effectivement vraies. Les pointes neuronales, mais pas les ondes alpha/bêta, transportaient des informations sensorielles. Même si les pics et les vagues alpha/bêta transportaient des informations sur les tâches, celles-ci étaient plus fortes dans les vagues et atteignaient leur maximum à des moments pertinents lorsque des règles étaient nécessaires pour effectuer les tâches.
Notamment, dans la tâche de catégorisation, les chercheurs ont délibérément varié le niveau d’abstraction pour rendre la catégorisation plus ou moins difficile sur le plan cognitif. Les chercheurs ont constaté que plus la difficulté était grande, plus la puissance des ondes alpha/bêta était forte, démontrant ainsi qu'elles appliquaient des règles de tâche.
Les deux prédictions suivantes étaient que l'alpha/bêta serait organisé spatialement et que quand et où il serait fort, l'information sensorielle représentée par le pic serait supprimée, mais là où et quand elle serait faible, le pic augmenterait. Ces prédictions se sont également avérées vraies dans les données. Sous les électrodes, Chen, Miller et l'équipe pouvaient voir des modèles spatiaux distincts de puissance des vagues plus ou moins élevée, et là où la puissance était élevée, les informations sensorielles lors des pics étaient faibles et vice versa.
Enfin, si le calcul spatial est valide, ont prédit les chercheurs, alors la puissance et le timing alpha/bêta essai par essai devraient être en corrélation précise avec les performances des animaux. Effectivement, il y avait des différences significatives dans les signaux lors des essais où les animaux effectuaient les tâches correctement par rapport aux essais où ils commettaient des erreurs. En particulier, les mesures prédisaient des erreurs dues à des erreurs dans les règles de tâche par rapport aux informations sensorielles. Par exemple, les écarts alpha/bêta concernaient l’ordre dans lequel les stimuli apparaissaient (d’abord le carré puis le triangle) plutôt que l’identité des stimuli individuels (carré ou triangle).
Compatible avec les résultats chez l'homme
En expérimentant avec des animaux, les chercheurs ont pu mesurer directement les pointes neuronales individuelles ainsi que les ondes cérébrales, mais dans l'article, ils notent que d'autres études chez l'homme rapportent des résultats similaires. Par exemple, des études utilisant des lectures non invasives d’ondes cérébrales EEG et MEG montrent que les humains utilisent les oscillations alpha pour inhiber l’activité dans des zones non pertinentes pour la tâche sous contrôle descendant et que les oscillations alpha semblent régir l’activité liée à la tâche dans le cortex préfrontal.
Bien que Miller ait déclaré qu'il trouvait les résultats de la nouvelle étude et leur croisement avec des études sur l'homme encourageants, il reconnaît que davantage de preuves sont encore nécessaires. Par exemple, son laboratoire a montré que les ondes cérébrales ne sont généralement pas immobiles (comme une corde à sauter) mais voyagent à travers les zones du cerveau. L’informatique spatiale devrait en tenir compte, a-t-il déclaré.
Outre Chen et Miller, les autres auteurs du journal sont Scott Brincat, Mikael Lundqvist, Roman Loonis et Melissa Warden.
L’Office of Naval Research, la Freedom Together Foundation et le Picower Institute for Learning and Memory ont financé l’étude.
