L'humain peut effectuer une vaste gamme d'opérations mentales et
ajuster leurs réponses comportementales en fonction d'instructions
externes et de croyances internes.Selon une étude menée par Massachusetts Institute of Technology publiée dans Neuron, les chercheurs ont
maintenant identifié une stratégie que le cerveau utilise pour
sélectionner rapidement et effectuer de manière flexible différentes
opérations mentales. Pour réaliser leur étude, ils ont appliqué un cadre mathématique connu
sous le nom d'analyse de systèmes dynamiques pour comprendre la logique
qui régit l'évolution de l'activité neuronale à travers de grandes
populations de neurones.
Selon les chercheurs, il était connu que le cerveau pouvait
contrôler quand il initiait un mouvement en modifiant la vitesse à
laquelle les modèles d'activité neuronale évoluent avec le temps. Ils ont maintenant trouvé que le cerveau contrôle cette vitesse de manière
flexible sur la base de deux facteurs, soit les entrées sensorielles externes
et l'ajustement des états internes, qui correspondent à la connaissance
des règles de la tâche exécutée.
Les chercheurs
croient que la «flexibilité cognitive», ou la capacité de s'adapter
rapidement à de nouvelles informations, réside dans les aires corticales
supérieures du cerveau. Selon les chercheurs, pour comprendre les nouvelles découvertes, il est utile de penser à la façon
dont les commutateurs et les cadrans peuvent être utilisés pour changer
la sortie d'un circuit électrique. À titre d'exemple, dans un amplificateur, un commutateur peut sélectionner la
source sonore en contrôlant l'entrée du circuit, et un cadran peut
ajuster le volume en contrôlant des paramètres internes tels qu'une
résistance variable. Les chercheurs ont défini que le cerveau transforme de la même façon les
instructions et les croyances en intrants et en états internes qui
contrôlent le comportement des circuits neuronaux.
Les
chercheurs ont enregistré l'activité neuronale dans le cortex frontal
des animaux formés pour effectuer une tâche de synchronisation flexible
appelée «prêt, set, go». Dans
cette tâche, l'animal voit deux flashs visuels, «prêt» et «ensemble», qui sont séparés par un intervalle entre 0,5 et 1 seconde, et initie un
mouvement - «aller», un certain temps après «ensemble». L'animal
doit initier le mouvement de telle sorte que l'intervalle de "mise en
jeu" soit le même que 1,5 fois l'intervalle "prêt à l'emploi". L'instruction d'utiliser ou non un multiplicateur de 1 ou 1,5 est fournie dans chaque essai.
Les
signaux neuronaux enregistrés pendant l'intervalle «set-go»
véhiculaient clairement des informations sur le multiplicateur et la
longueur mesurée de l'intervalle «ready-set», mais la nature de ces
représentations semblait étrangement complexe. Pour décoder la logique derrière ces représentations, les chercheurs ont utilisé le cadre d'analyse des systèmes dynamiques. Cette
analyse est utilisée dans l'étude d'un large éventail de systèmes
physiques, allant des simples circuits électriques aux navettes
spatiales.
L'application
de cette approche aux données neuronales dans la tâche «ready, set, go»
a de découvrir comment le cerveau
ajuste les intrants et les conditions initiales du cortex frontal pour
contrôler les temps de mouvement de manière flexible. Une
opération de type commutateur définit l'entrée associée au
multiplicateur correct, et une opération de type cadran ajuste l'état
des neurones sur la base de l'intervalle "prêt à l'emploi". Ces deux stratégies de contrôle complémentaires permettent au même matériel de produire des comportements différents.
Les chercheurs souhaitent maintenant découvrir quelle partie du cerveau envoie des informations sur le
multiplicateur au cortex frontal. Ils espèrent aussi étudier ce qui
se passe dans ces neurones lorsqu'ils apprennent d'abord des tâches qui
les obligent à réagir avec souplesse.
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