Des scientifiques découvrent comment les cellules cérébrales incarnent la pensée

L’activité coordonnée des cellules cérébrales, comme des oiseaux volant en formation, nous aide à nous comporter intelligemment dans des situations nouvelles, selon une étude menée par des chercheurs du Cedars-Sinai. Les travaux, publiés dans Nature, est le premier à éclairer les processus neurologiques connus sous le nom d’abstraction et d’inférence dans le cerveau humain.

« L’abstraction nous permet d’ignorer les détails non pertinents et de nous concentrer sur les informations dont nous avons besoin pour agir, et l’inférence est l’utilisation des connaissances pour faire des suppositions éclairées sur le monde qui nous entoure », a déclaré Ueli Rutishauser, Ph. D., professeur et titulaire de la chaire de neurosciences du conseil d’administration de Cedars-Sinai et co-auteur correspondant de l’étude. « Ces deux éléments sont des éléments importants de la cognition et de l’apprentissage. »

Les humains utilisent souvent ces deux processus cognitifs ensemble pour apprendre rapidement à connaître de nouveaux environnements et y réagir de manière appropriée. Prenons par exemple un automobiliste américain qui loue une voiture à Londres pour la première fois.

« Les Anglais conduisent à droite et à gauche de la route, contrairement à ce que nous faisons aux États-Unis », explique Rutishauser. « Pour un Américain, conduire à Londres signifie inverser de nombreuses règles qu’il a apprises, et ce changement mental nécessite de se concentrer sur la conduite du côté opposé et de tirer des conclusions pour éviter de se diriger directement vers la circulation venant en sens inverse. »

Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont travaillé avec 17 patients hospitalisés à qui des électrodes avaient été implantées chirurgicalement dans le cerveau dans le cadre d’une procédure visant à diagnostiquer l’épilepsie. Au total, les chercheurs ont enregistré l’activation de milliers de cellules cérébrales pendant que les participants effectuaient une tâche d’inférence sur un ordinateur.

L’observation de l’activité d’un si grand nombre de cellules cérébrales a nécessité le recours à l’intelligence artificielle pour extraire les réponses pertinentes, permettant aux chercheurs de voir la coordination entre les neurones lors d’une inférence réussie.

« Il s’agit de formes géométriques de grande dimension que nous ne pouvons ni imaginer ni visualiser sur un écran d’ordinateur », a déclaré Stefano Fusi, Ph.D., chercheur principal au Zuckerman Mind Brain Behavior Institute de l’Université de Columbia et co-auteur correspondant de l’étude. « Mais nous pouvons utiliser des techniques mathématiques pour visualiser des rendus simplifiés de ces formes en 3D. »

Au cours des enregistrements, les participants ont vu quatre images à plusieurs reprises : une personne, un singe, une voiture et une pastèque. Pour chaque image, ils devaient appuyer sur un bouton de gauche ou de droite. Les personnes recevaient alors un message « correct » ou « incorrect ».

À force de répétition, les participants ont fini par apprendre la bonne réponse pour chacune des quatre images. À ce stade, les règles du jeu ont été inversées sans que les participants en soient informés, et la réponse opposée pour chaque image a été comptée comme correcte.

Après le changement, certains participants ont pu rapidement comprendre le changement de règle et déduire les bonnes réponses sans les réapprendre, ce qui signifie qu’ils ont effectué des inférences.

Les chercheurs ont observé des motifs géométriques frappants dans le cerveau de ces participants. Des groupes de neurones s’activaient ensemble, un peu comme des oiseaux volant en formation ou une foule de personnes entonnant spontanément un chant lors d’un événement sportif.

La manière dont les neurones coordonnaient leur activité et codaient les informations pertinentes indiquait que les sujets avaient acquis les connaissances conceptuelles nécessaires pour effectuer la tâche. Les chercheurs n’ont observé aucun schéma de ce type dans le cerveau des participants qui n’étaient pas parvenus à utiliser l’inférence.

« La construction de connaissances conceptuelles est un aspect important de l’apprentissage », a déclaré Hristos Courellis, Ph.D., chercheur au Cedars-Sinai et premier auteur de l’étude. « Dans notre étude, nous avons identifié une base neuronale pour ce processus, que l’on appelle en psychologie cognitive l’abstraction. »

Certains sujets n’étaient pas capables de faire des déductions à partir de leur expérience avec cette tâche. Les chercheurs ont donné à ces sujets des instructions verbales qui leur ont permis de déduire les bonnes réponses.

« Une découverte remarquable a été que les mêmes géométries neuronales sont apparues chez les participants qui recevaient des instructions verbales comme chez ceux dont la capacité à déduire était basée sur l’apprentissage expérientiel », a déclaré Adam Mamelak, MD, directeur du programme de neurochirurgie fonctionnelle et professeur de neurochirurgie au Cedars-Sinai et co-auteur de l’étude.

« Cette découverte cruciale montre que les informations verbales peuvent donner lieu à des représentations neuronales qui, autrement, pourraient prendre beaucoup de temps à apprendre par l’expérience. »

L’étude, qui s’appuyait sur des données provenant du Cedars-Sinai et de l’Université de Toronto, a été dirigée par le Cedars-Sinai et menée dans le cadre d’un consortium multi-institutionnel.

« Cette étude apporte de nouvelles perspectives sur la manière dont notre cerveau nous permet d’apprendre et d’effectuer des tâches de manière flexible et en réponse à des conditions et des expériences changeantes », a déclaré Merav Sabri, Ph.D., directrice du programme de The BRAIN Initiative. « Ces informations s’appuient sur l’ensemble des connaissances qui pourraient un jour nous conduire à des interventions pour les troubles neurologiques et psychiatriques impliquant des déficits de mémoire et de prise de décision. »

Les chercheurs ont été surpris de découvrir que ces modèles particuliers d’activité cérébrale apparaissaient uniquement dans l’hippocampe, une région située au centre du cerveau et connue pour être cruciale pour la formation de nouveaux souvenirs à long terme.

« Notre découverte élargit nos connaissances sur le rôle de l’hippocampe dans l’apprentissage », a déclaré Rutishauser.

« Il s’agit de la première démonstration directe de l’implication de l’hippocampe humain dans l’apprentissage de connaissances abstraites et dans le comportement d’inférence. De nombreuses maladies neurologiques, dont la maladie d’Alzheimer, le trouble obsessionnel-compulsif et la schizophrénie, affectent cette région du cerveau, et notre découverte pourrait contribuer à expliquer les troubles de la prise de décision que nous observons chez ces patients. »