Comment la variabilité neuronale façonne la prise de décision dans différents cerveaux

Recherche publiée dans Nature a révélé que les calculs neuronaux chez différents individus peuvent être mis en œuvre pour résoudre les mêmes tâches de prise de décision, même lorsque les résultats comportementaux semblent identiques.

La flexibilité cognitive est la capacité d’un cerveau à adapter sa réponse au même stimulus externe, comme la lumière ou le son, en fonction de différents contextes. Par exemple, si quelqu’un vous appelle dans une pièce bondée, vous devez vous concentrer sur l’emplacement du son ou sur les caractéristiques de la voix pour identifier la personne. Cette flexibilité dans la sélection et le traitement des informations pertinentes tout en ignorant les informations non pertinentes est cruciale pour la survie et une interaction efficace avec notre environnement.

Bien qu’elle ait été étudiée précédemment, la variabilité individuelle des calculs neuronaux produisant les mêmes résultats est mal comprise et manque d’un cadre complet. Les chercheurs du Nature étude visant à comprendre ces mécanismes.

Phys.org s’est entretenu avec le premier auteur de l’article, le Dr Marino Pagan, qui a réalisé les expériences décrites dans l’article en tant que chercheur postdoctoral sous la supervision de Carlos Brody à l’Université de Princeton.

“En tant qu’ingénieur informaticien, j’ai toujours été profondément fasciné par la capacité de notre cerveau à effectuer des calculs complexes. En particulier, je m’intéresse beaucoup à la compréhension de la flexibilité cognitive. Cette capacité est cruciale dans notre vie quotidienne et sa déficience peut créer des problèmes de développement neurologique. troubles », a déclaré le Dr Pagan.

Enquêter sur la flexibilité cognitive

Les chercheurs visaient à développer un cadre pour expliquer comment les réseaux de neurones calculent la sélection dépendante du contexte et relient la variabilité neuronale et comportementale. Ils ont commencé par entraîner des rats à effectuer des tâches de prise de décision basées sur des signaux auditifs externes. Leur prise de décision reposait sur un ensemble de deux règles alternées.

La règle de localisation exigeait que les rats réagissent à la localisation d’une série de clics auditifs. En revanche, la règle de fréquence leur imposait de réagir à la fréquence des clics tout en ignorant leur localisation.

Un indice contextuel avant chaque règle informait les rats de la règle à suivre. Les règles ont changé rapidement, obligeant les rats à ajuster rapidement leur processus de prise de décision.

“Les rats peuvent apprendre à résoudre cette tâche avec une très grande précision, et l’analyse de leur comportement et de leur activité neuronale au cours de nombreux essais nous permet de caractériser avec précision les mécanismes qu’ils utilisent pour sélectionner les stimuli pertinents au contexte et prendre les bonnes décisions”, a déclaré le Dr. .Païen.

Pour comprendre comment les rats traitaient chaque tâche, les chercheurs ont mesuré leur activité neuronale. Les mesures ont été enregistrées à partir des champs d’orientation frontale (FOF), une région du cerveau impliquée dans la prise de décision et l’orientation des réponses aux stimuli externes, notamment en termes d’ajustement du comportement en fonction du contexte. Cela permettrait plus tard de comprendre les mécanismes en jeu dans la prise de décision dépendante du contenu.

Développer un cadre

Les chercheurs ont développé un cadre théorique pour expliquer comment le cerveau calcule la prise de décision en fonction du contexte. Ceci était basé sur trois solutions dynamiques possibles sur la manière dont le cerveau pourrait traiter les informations.

Ensuite, les chercheurs ont développé des RNN pour simuler la manière dont chaque solution pourrait être utilisée pour résoudre la tâche présentée aux rats. Les RNN sont un type de réseau neuronal artificiel utilisé dans l’apprentissage automatique, conçu pour gérer des données séquentielles, telles que des séries chronologiques ou des modèles qui changent au fil du temps.

“Les RNN peuvent être entraînés à résoudre la même tâche que les rats en utilisant différents mécanismes. Nous avons caractérisé les variations de leurs réponses neuronales, qui ont servi de signatures à ces mécanismes. Nous avons ensuite appliqué les mêmes analyses à l’activité neuronale des rats et avons trouvé différentes signatures sur des animaux individuels », a expliqué le Dr Pagan.

Cette approche leur a permis de cartographier toute la gamme de stratégies possibles susceptibles de résoudre la tâche et de les faire correspondre aux signatures neuronales réelles observées chez les rats.

Tous les cerveaux utilisent-ils le même mécanisme pour résoudre ce type de tâches complexes ?

Non. Les chercheurs ont découvert que tous les cerveaux n’utilisent pas le même mécanisme pour résoudre une tâche, même si le même résultat est obtenu.

“Les mesures de la dynamique cérébrale différaient d’un animal à l’autre, ce qui suggère que différents cerveaux utilisent des mécanismes différents pour résoudre la même tâche, même si en surface, leur comportement peut sembler très similaire. Ce résultat est important car il a été très difficile à étudier. ce genre de variabilité individuelle auparavant », a noté le Dr Pagan.

De plus, l’équipe a découvert une forte corrélation entre la variabilité des réponses neuronales et les résultats comportementaux, en identifiant les signatures neuronales de ces corrélations. Les résultats des modèles RNN correspondaient à l’activité cérébrale observée chez les rats, confirmant leur découverte d’un degré élevé de variabilité individuelle dans la gestion d’une même tâche.

Variabilité et troubles

Cette étude fournit le premier cadre complet pour identifier la variabilité individuelle dans une prise de décision flexible basée sur le contexte, comblant ainsi le fossé entre l’activité neuronale et le comportement. Les preuves trouvées sont concrètes et constituent un outil pour étudier cette variabilité.

Parlant de développer davantage cette recherche, le Dr Pagan a mentionné deux directions actuellement poursuivies à l’Université d’Édimbourg, où il est chef de groupe à la Simons Initiative for the Developing Brain (SIDB).

“La première se concentre sur la compréhension de la source de la variabilité substantielle observée dans les différents cerveaux. Nous voulons savoir si cette variabilité est innée et prédéterminée dès la naissance ou si elle se développe au cours de l’apprentissage”, a-t-il déclaré.

“La deuxième direction étudie comment la flexibilité cognitive et la prise de décision sont affectées dans les troubles du développement neurologique. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans l’identification des fondements génétiques de ces troubles, les mécanismes qui relient les mutations génétiques aux déficits cognitifs restent mal compris”, a conclu le Dr. Païen.

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