Une étude révèle comment le cerveau utilise les modèles d’activité neuronale pour comparer les attentes avec le présent

Imaginez que vous êtes assis sur le canapé de votre salon en train de lire. Vous le faites presque tous les soirs. Mais alors, soudainement, lorsque vous regardez en haut, vous remarquez que cette fois, quelque chose est différent.

Votre image préférée accrochée au mur est légèrement inclinée. Dans une étude portant sur des patients atteints d’épilepsie, les scientifiques des National Institutes of Health ont découvert comment un ensemble d’ondes cérébrales à haute fréquence peut nous aider à repérer ces types de différences entre le passé et le présent.

« Nos résultats suggèrent que chaque expérience que nous stockons en mémoire peut être utilisée pour définir nos attentes et nos prévisions pour l’avenir », Kareem Zaghloul, MD, Ph.D., chercheur principal au National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) du NIH , et auteur principal de l’étude publiée dans Communications de la nature.

Cette étude montre comment le cerveau utilise certains modèles d’activité neuronale pour comparer nos attentes avec le présent. En fin de compte, nous espérons que ces résultats nous aideront à mieux comprendre comment le cerveau dépeint la réalité dans des conditions saines et pathologiques. « 

Kareem Zaghloul, MD, PhD, auteur principal de l’étude et chercheur principal, National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), National Institutes of Health

L’étude a été dirigée par Rafi Haque, un MD, Ph.D. étudiant à l’École de médecine de l’Université Emory, Atlanta, qui terminait son travail de thèse avec le Dr Zaghloul. Son objectif principal de recherche était de tester si une théorie appelée codage prédictif peut être appliquée à la façon dont notre cerveau se souvient des expériences passées, appelées souvenirs épisodiques.

«Le codage prédictif déclare essentiellement que le cerveau optimise l’activité neuronale pour le traitement de l’information. En d’autres termes, la théorie prévoit que le cerveau utilise plus d’activité neuronale pour traiter de nouvelles informations que pour des choses avec lesquelles nous sommes familiers», a déclaré le Dr Haque.

« Des années de recherche ont montré qu’au fil du temps, c’est ainsi que nous apprenons à nous attendre à ce à quoi ressemblent des sites communs, comme l’herbe verte, ou des bruits quotidiens, tels que certains gazouillis d’oiseaux. Nous voulions savoir si le cerveau utilise un processus similaire pour gérer nos expériences. « 

Pour tester cette idée, l’équipe a travaillé avec 14 patients atteints d’épilepsie résistante aux médicaments dont le cerveau avait été implanté chirurgicalement avec des grilles d’électrodes dans le cadre d’un essai du NIH Clinical Center visant à diagnostiquer et traiter leurs crises.

L’expérience a commencé lorsque les patients ont été montrés et invités à mémoriser une série de quatre scènes naturelles affichées sur un écran d’ordinateur. Par exemple, l’une des scènes était celle d’une bicyclette brune se penchant sur une béquille devant un buisson vert.

Quelques secondes plus tard, on leur a montré une nouvelle série d’images et on leur a demandé s’ils avaient reconnu la scène ou s’ils avaient remarqué quelque chose de différent. Certaines images étaient les mêmes qu’avant tandis que d’autres ont été légèrement modifiées en ajoutant ou en supprimant quelque chose, comme un oiseau rouge, de la scène.

En moyenne, les patients ont réussi à reconnaître 88% des scènes répétées, 68% des scènes qui manquaient quelque chose et 65% de celles dans lesquelles quelque chose a été ajouté. Dans chaque cas, il leur a fallu environ deux secondes et demie pour le remarquer.

Une analyse plus approfondie d’un sous-ensemble de patients a montré qu’ils avaient réussi à localiser 82% des ajouts et 70% des suppressions. Curieusement, leurs yeux se fixaient souvent (83%) sur les ajouts mais à peine du tout (34%) sur les zones de la scène où quelque chose avait été enlevé.

«Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent qu’il suffit d’un moment pour se souvenir non seulement d’une nouvelle expérience, mais aussi pour utiliser les souvenirs de cette expérience pour définir les attentes futures», a déclaré le Dr Zaghloul.

Pendant ce temps, des enregistrements électriques ont révélé des différences dans l’activité des ondes cérébrales entre les moments où les patients se souvenaient avec succès de scènes répétées et les moments où ils avaient repéré des changements dans une scène.

Dans les deux situations, l’apparition d’une scène sur l’écran de l’ordinateur a déclenché une augmentation de la force des ondes à haute fréquence d’activité neuronale dans le cortex occipital latéral, un centre de traitement visuel à l’arrière du cerveau. La poussée a coulé vers l’avant pour arriver quelques millisecondes plus tard à un centre de mémoire appelé le lobe temporal médial.

De plus, dans les deux situations, le cerveau des patients semblait rejouer les schémas d’activité neuronale observés lors de leur première observation des scènes.

« Ces résultats soutiennent l’idée que les souvenirs d’expériences visuelles suivent une certaine voie dans le cerveau », a déclaré le Dr Haque.

La différence cependant était que la montée en flèche de l’activité était plus forte lorsque les patients reconnaissaient un changement de scène.

De plus, pendant ces moments, une seconde onde de fréquence inférieure a semblé gronder de manière synchrone à travers le cortex occipital latéral et le lobe temporal médial.

«Nos données soutiennent l’idée que nos attentes en matière d’expériences visuelles sont contrôlées par une boucle de rétroaction entre le cortex visuel et le lobe temporal médial», a déclaré le Dr Zaghloul. « Les ondes à haute fréquence d’activité neuronale semblent porter un message d’erreur lorsque nous voyons quelque chose qui ne correspond pas à nos attentes, alors que les ondes de fréquence plus basse peuvent mettre à jour nos souvenirs. »