Des ondes cérébrales pour prédire le monde
Publié par Redbran le 11/10/2019 à 14:00
Source: CNRS INSB

Le codage prédictif propose que le cerveau génère une représentation mentale du monde extérieur qui est ensuite comparée aux entrées sensorielles réelles.

Un tel modèle ayant comme seules contraintes temporelles les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de transmission neuronale met en évidence l'apparition de vagues de rythmes alpha se propageant dans le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses...) de façon dépendante de l'état cognitif ; c'est ce qui est également observé sur des enregistrements électroencéphalographiques. Ces résultats, publiés dans la revue PLOS Biology, permettent de proposer que les rythmes alpha pourraient refléter le calcul neuronal impliqué dans le codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des données vers une autre.) prédictif.

Le fonctionnement du cerveau reste encore une énigme et de nombreux modèles ont été avancés pour tenter d'expliquer comment nous percevons le monde (Le mot monde peut désigner :) extérieur. Le codage prédictif, proposé il y a une vingtaine d'années, repose sur l'idée que le cerveau est capable de générer une représentation mentale du monde extérieur qui est ensuite comparée aux entrées sensorielles réelles. Les différences entre prédiction et réalité vont entrainer une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) neuronale de correction ; si les entrées sensorielles correspondent parfaitement au modèle, aucune activité n'est générée.

Récemment, les chercheurs ont montré que l'organisation (Une organisation est) spatiale et temporelle des vagues cérébrales alpha à 10 Hz, propriété fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) du traitement cortical des informations visuelles, permettait de les considérer comme de véritables échos perceptuels scannant le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) visuel dans le but de localiser des objets.

Dans ce nouvel article, ils démontrent qu'un modèle computationnel prédictif explique la mise en place et les caractéristiques de ces vagues cérébrales alpha à 10 Hz apparaissant spontanément sans générateur de rythme interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en...).

L'élément clé de ce travail est l'utilisation de contraintes qui soient plausibles sur le plan physiologique. Ainsi, un modèle prédictif constitué de 2 niveaux de traitement et ayant comme seules contraintes temporelles les temps de transmission neuronale met en évidence l'apparition de rythmes alpha ; ces rythmes sont similaires à ceux qui sont observés expérimentalement sur des électroencéphalogrammes de sujets placés devant des écrans de stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel d'action, qui est transmis par les nerfs vers les...) visuelle.

Le même modèle à plus de 2 niveaux de traitement explique l'apparition de vagues se propageant à travers ces différents niveaux avec une direction dépendant de l'état cognitif: direction montante pendant le traitement d'une information visuelle et descendante pendant le repos.

Les prédictions obtenues sont parfaitement vérifiées par l'analyse de deux jeux de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) EEG expérimentales enregistrées sur le scalp de sujets en réponse à des stimulations visuelles et pendant des temps de repos.

Ces résultats, observés au cours de différents états cognitifs, apportent de nouvelles informations sur le rôle fonctionnel de l'activité oscillatoire omniprésente dans le cerveau humain. Ils permettent de proposer que les rythmes alpha, outre leurs rôles dans le traitement de l'information visuelle, pourraient refléter le calcul neuronal impliqué dans le codage prédictif.


© Rufin VanRullen & Andrea Alamia.
Figure: Haut gauche: un modèle de codage prédictif simple dans lequel le niveau hiérarchiquement supérieur effectue des prédictions y (t) sur l'entrée au niveau inférieur et l'erreur x (t) est utilisée pour mettre à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...) la prédiction suivante. Les erreurs et les signaux de prédiction sont respectivement transmis au niveau suivant ou précédent avec un délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...),...) (DT). Haut droite: ce modèle, avec des paramètres physiologiquement plausibles, génère une fonction de réponse impulsionnelle (IRF) oscillatoire semblable à celle vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) dans les enregistrements expérimentaux.
Bas: l'IRF peut être interprétée comme une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) progressive observée sur la carte en 2D construite en superposant les signaux des 7 électrodes médianes d'enregistrement.

Pour en savoir plus:
Alpha oscillations and traveling waves: Signatures of predictive coding?
Alamia A, VanRullen R.
PLoS Biol. 2019 Oct 3;17(10):e3000487. doi: 10.1371/journal.pbio.3000487. eCollection 2019 Oct.

Contact chercheur:
Rufin VanRullen - Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...) au centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) cerveau et cognition (CerCo) - (CNRS/Univ. Toulouse Paul Sabatier)
rufin.vanrullen at cnrs.fr
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