Le cerveau, une machine à faire des prédictions... jusque dans ses aires sensorielles !

Publié par Adrien le 08/06/2021 à 09:00
Source: ASP
Parfois, de l'activité nerveuse quelques secondes plus tôt que prévu à un endroit dans le cerveau peut être considéré comme un résultat étonnant qui confirme une idée générale du fonctionnement cérébral ! C'est le cas de l'article dont j'aimerais vous parler aujourd'hui. Mais pour justifier une telle entrée en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) un peu accrocheuse, il va falloir rappeler un peu l'essence de cette conception du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite...) comme une machine à faire des prédictions, puisque c'est de cela qu'il s'agit.


Pour le dire vite, c'est à peu près l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) du paradigme qui a dominé les sciences cognitives de la deuxième moitié du XXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...). Autrement dit, ce que le cerveau va considérer à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) moment, ce n'est pas tant l'entièreté des inputs sensoriels en provenance du monde (Le mot monde peut désigner :) extérieur, mais plutôt l'écart, ou l'erreur, que nous signale ces indices sensoriels par rapport aux prédictions ou aux projections que notre cerveau fait constamment sur le monde.

C'est l'idée générale du "predictive processing", un cadre théorique général du fonctionnement cérébral de plus en plus considéré depuis une décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix »...) ou deux. Et pour faire ces prédictions, notre cerveau s'appuie sur des modèles internes construits tout au long de notre longue histoire, à la fois évolutive et développementale. La première a sculpté la forme de notre système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des...) en fonction de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) dans lequel on a évolué. Et la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) découle d'une autre sculpture (La sculpture existe depuis le paléolithique(il y a 25000 ans à peu près) et la petite figurine...), celle de notre expérience du monde depuis notre plus jeune âge qui a renforcé certaines synapses et pas d'autres, sélectionné certains réseaux de neurones et pas d'autres. C'est donc toujours à partir de ces "a priori" que notre cerveau va tenter de comprendre le monde. Des modèles qu'on qualifie aussi de "statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...)" dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) où ils se sont construits au fil de nos interactions avec les régularités du monde: les choses qu'on lâche tombent vers le bas ; le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) se lève à l'est et se couche à l'ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se...) ; l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) apaise la soif (La soif est la sensation du besoin de boire et caractérise un manque d'eau chez l'organisme....) ; après le vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...), le feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...) de circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) passe au jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...), puis au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) ; etc.

Cependant, si nos réseaux cérébraux sont devenus capables, souvent après des années d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus...), de formuler des hypothèses fiables quant à ce genre de régularité du réel, le monde reste d'une telle richesse et d'une telle imprévisibilité qu'il arrive quand même qu'on se trompe sur son état. C'est le cas par exemple en météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques...), où l'on est constamment en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) de revoir les modèles en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel. Et ça va être le cas dans notre cerveau aussi. Car à tout moment, on se rend compte qu'il y a un écart entre les indices sensoriels qui montent dans le système et nos prédictions "descendantes" sur l'état du monde.

Ce que le cerveau va donc chercher constamment à faire pour maintenir le corps qui l'héberge dans un état viable, c'est de réduire cet écart entre nos modèles internes et le monde. Et ça, il va toujours pouvoir le faire de deux façons: soit modifier ses modèles pour qu'ils deviennent mieux adaptés au monde, ce qu'on appelle couramment l'apprentissage; ou bien, si l'on est convaincu que notre modèle est bon, changer le monde pour qu'il s'y conforme, c'est-à-dire agir pour transformer le monde et le rendre plus compatible avec notre modèle. Par exemple, réparer une marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un...) d'escalier (L’escalier est une construction architecturale constituée d'une suite...) pourrie pour plus qu'on trébuche dessus en pensant qu'elle est là, quand on descend sans regarder nos pieds, alors qu'elle est défoncée !

Ce genre d'action qui vise à minimiser les erreurs, c'est ce que des gens comme Karl Friston appellent "l'inférence active". Dans les deux cas, il s'agit de trouver, ou plus précisément d'inférer, un modèle plus approprié par rapport à des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) sur le monde qui, vu sa complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) et son ambiguïté intrinsèque, diffère souvent de ce qu'on pensait.

Ce qui est important de voir aussi, c'est que chez un individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux...) particulier, la minimisation de l'écart ou de l'erreur sur la prédiction ne se fait pas à un seul endroit dans le cerveau. Parce que notre cerveau est un système complexe comportant de nombreux niveaux d'organisation (Une organisation est), c'est à chacun de ces niveaux que la minimisation d'erreur va se faire constamment.

C'est en ayant en tête cette façon de faire générale du cerveau, celle d'utiliser son expérience passée pour générer des prédictions sur des événements futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.), qu'on peut maintenant aborder l'étude de Caroline S. Lee et ses collègues publiée dans eLife en avril dernier. Iintitulé Anticipation of temporally structured events in the brain, elle impliquait 30 sujets qui regardaient six fois de suite le même extrait de 90 secondes d'un film pendant que leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) cérébrale était enregistrée par un appareil d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) par résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) magnétique fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....). En comparant par la suite l'activité globale du cerveau moment par moment au fil des écoutes répétitives, on a pu montrer que le cerveau des sujets se mettait à anticiper les scènes du film avec les répétitions. Les régions postérieures du cerveau, comme le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou...) visuel, anticipaient les événements qui survenaient 1 à 4 secondes plus tard. Celles situées dans la région médiane (Le terme de médiane, du latin medius, qui est au milieu, possède plusieurs acceptations en...) de 5 à 8 secondes avant les événements. Et la partie frontale du cerveau anticipait de 8 à 15 secondes avant ce qui allait se passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...).

Ces résultats montrent que différentes régions de notre cerveau semblent donc travailler de concert pour prédire des futurs plus ou moins rapprochés, révélant ainsi la présence d'une hiérarchie anticipatoire, si l'on peut dire. Voilà donc un phénomène qui nous éloigne encore un peu plus de la vision modulaire traditionnelle du cerveau de la fin du XXe siècle. Cette conception impliquait que certains "modules" traitaient par exemple les inputs visuels ou sonores, et que d'autres systèmes séparés permettaient de solliciter la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) pour faire des plans, par exemple. Des résultats comme ceux-ci brouillent toutefois encore un peu plus ces hypothétiques frontières bien définies dans notre cerveau. Au contraire, on découvre de plus en plus que nos régions corticales sensorielles, comme celles pour la vision dans ce cas-ci, peuvent elles aussi anticiper ce qui s'en vient, ne serait-ce que par quelques secondes.
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