Comment le cerveau maîtrise la complexité sans sombrer dans le chaos

Les chercheurs révèlent que les neurones présentant une « sélectivité mixte » permettent à notre cerveau de gérer plusieurs calculs simultanément, offrant ainsi la flexibilité nécessaire aux tâches cognitives complexes.

De nombreux neurones présentent une « sélectivité mixte », ce qui signifie qu’ils peuvent intégrer plusieurs entrées et participer à plusieurs calculs. Des mécanismes tels que les oscillations et les neuromodulateurs recrutent leur participation et les ajustent pour se concentrer sur les informations pertinentes.

Chaque jour, notre cerveau s'efforce d'optimiser un compromis : avec beaucoup de choses qui se passent autour de nous, même si nous abritons également de nombreuses motivations et mémoires internes, nos pensées doivent être flexibles mais suffisamment concentrées pour guider tout ce que nous devons faire. Dans un nouvel article publié dans la revue Neurone, une équipe de neuroscientifiques décrit comment le cerveau acquiert la capacité cognitive d'intégrer toutes les informations pertinentes sans se laisser submerger par ce qui ne l'est pas.

Le rôle de la sélectivité mixte

Les auteurs soutiennent que la flexibilité découle d’une propriété clé observée dans de nombreux neurones : la « sélectivité mixte ». Alors que de nombreux neuroscientifiques pensaient que chaque cellule n’avait qu’une seule fonction dédiée, des preuves plus récentes ont montré que de nombreux neurones peuvent participer à une variété d’ensembles informatiques, chacun travaillant en parallèle. En d’autres termes, lorsqu’un lapin envisage de grignoter de la laitue dans un jardin, un seul neurone pourrait être impliqué non seulement dans l’évaluation de sa sensation de faim, mais également dans la mesure où il peut entendre un faucon au-dessus de sa tête ou sentir un coyote dans les arbres et à quelle distance. la laitue est.

Le cerveau n'effectue pas plusieurs tâches à la fois, a déclaré Earl K. Miller, co-auteur de l'article, professeur Picower au Picower Institute for Learning and Memory à MIT et pionnier de l’idée de sélectivité mixte, mais de nombreuses cellules ont la capacité d’être impliquées dans de multiples efforts de calcul (essentiellement des « pensées »). Dans le nouvel article, les auteurs décrivent les mécanismes spécifiques utilisés par le cerveau pour recruter des neurones dans différents calculs et pour garantir que ces neurones représentent le bon nombre de dimensions d'une tâche complexe.

« Ces neurones portent plusieurs chapeaux », a déclaré Miller. « Avec la sélectivité mixte, vous pouvez avoir un espace de représentation aussi complexe qu'il doit l'être, et pas plus. C’est ça la cognition flexible.

Le co-auteur Kay Tye, professeur au Salk Institute et à l'Université de Californie à San Diego, a déclaré qu'une sélectivité mixte parmi les neurones, en particulier dans le cortex préfrontal médial, est essentielle pour activer de nombreuses capacités mentales.

« Le mPFC est comme un bourdonnement de murmures qui représente tant d'informations à travers des ensembles hautement flexibles et dynamiques », a déclaré Tye. « La sélectivité mixte est la propriété qui nous confère notre flexibilité, notre capacité cognitive et notre capacité à être créatif. C’est le secret pour maximiser la puissance de calcul qui est essentiellement le fondement de l’intelligence.

Origines d'une idée

L'idée de sélectivité mixte a germé en 2000 lorsque Miller et son collègue John Duncan ont défendu un résultat surprenant issu d'une étude sur la cognition menée dans le laboratoire de Miller. Alors que les animaux classaient les images par catégories, environ 30 % des neurones du cortex préfrontal du cerveau semblaient être impliqués. Les sceptiques qui croyaient que chaque neurone avait une fonction dédiée se moquaient du fait que le cerveau consacrerait autant de cellules à une seule tâche. La réponse de Miller et Duncan était que les cellules avaient peut-être la flexibilité de participer à de nombreux calculs. La capacité de servir dans une force opérationnelle cérébrale, pour ainsi dire, ne les empêchait pas de pouvoir servir dans de nombreuses autres.

Mais quel est l’avantage de la sélectivité mixte ? En 2013, Miller s'est associé à deux co-auteurs du nouvel article, Mattia Rigotti d'IBM Research et Stefano Fusi de Université de Colombie, pour montrer comment la sélectivité mixte confère au cerveau une puissante flexibilité informatique. Essentiellement, un ensemble de neurones à sélectivité mixte peut accueillir beaucoup plus de dimensions d’informations sur une tâche qu’une population de neurones aux fonctions invariantes.

« Depuis notre travail initial, nous avons progressé dans la compréhension de la théorie de la sélectivité mixte à travers le prisme des méthodes classiques. apprentissage automatique idées », a déclaré Rigotti. « En revanche, les questions chères aux expérimentateurs sur les mécanismes le mettant en œuvre au niveau cellulaire avaient été relativement sous-explorées. Cette collaboration et ce nouvel article visent à combler cette lacune.

Dans le nouvel article, les auteurs imaginent une souris qui se demande si elle doit manger une baie. Cela pourrait sentir délicieux (c'est une dimension). Cela pourrait être toxique (c'en est une autre). Une ou deux autres dimensions du problème pourraient prendre la forme d’un signal social. Si la souris sent l'odeur de baie dans l'haleine d'une autre souris, alors la baie est probablement bonne à manger (en fonction de la santé apparente de l'autre souris). Un ensemble neuronal à sélectivité mixte serait capable d’intégrer tout cela.

Recrutement de neurones

Même si la sélectivité mixte s’appuie sur de nombreuses preuves – elle a été observée dans le cortex et dans d’autres zones du cerveau telles que l’hippocampe et l’amygdale – des questions restent encore ouvertes. Par exemple, comment les neurones sont-ils recrutés pour des tâches et comment les neurones si « ouverts d’esprit » restent-ils à l’écoute uniquement de ce qui compte vraiment pour la mission ?

Dans la nouvelle étude, les chercheurs, parmi lesquels Marcus Benna de l'UC San Diego et Felix Taschbach du Salk Institute, définissent les formes de sélectivité mixte que les chercheurs ont observées et soutiennent que lorsque les oscillations (également connues sous le nom de « ondes cérébrales ») et les neuromodulateurs (des produits chimiques tels que la sérotonine ou la dopamine qui influencent la fonction neuronale) recrutent les neurones dans des ensembles informatiques et les aident également à « accéder » à ce qui est important à cet effet.

Certes, certains neurones sont dédiés à une entrée spécifique, mais les auteurs notent qu’ils constituent une exception plutôt que la règle. Les auteurs affirment que ces cellules ont une « sélectivité pure ». Ils ne se soucient que si le lapin voit de la laitue. Certains neurones présentent une « sélectivité mixte linéaire », ce qui signifie que leur réponse dépend de manière prévisible de plusieurs entrées qui s’additionnent (le lapin voit de la laitue et a faim). Les neurones qui ajoutent le plus de flexibilité dimensionnelle sont ceux à « sélectivité mixte non linéaire » qui peuvent prendre en compte plusieurs variables indépendantes sans nécessairement les additionner. Au lieu de cela, ils pourraient peser tout un ensemble de conditions indépendantes (par exemple, il y a de la laitue, j'ai faim, je n'entends pas de faucons, je ne sens pas de coyotes, mais la laitue est loin et je vois une clôture assez solide).

Alors, qu’est-ce qui amène les neurones à se concentrer sur les facteurs saillants, quel que soit leur nombre ? L’un des mécanismes est constitué par les oscillations, produites dans le cerveau lorsque de nombreux neurones maintiennent tous leur activité électrique au même rythme. Cette activité coordonnée permet le partage d'informations, essentiellement en les syntonisant comme un groupe de voitures diffusant toutes la même station de radio (peut-être que l'émission parle d'un faucon tournant au-dessus de notre tête). Les neuromodulateurs sont un autre mécanisme mis en évidence par les auteurs. Ce sont des produits chimiques qui, lorsqu’ils atteignent les récepteurs des cellules, peuvent également influencer leur activité. Une dose d'acétylcholine, par exemple, pourrait de la même manière harmoniser les neurones dotés des bons récepteurs avec certaines activités ou informations (comme peut-être cette sensation de faim).

« Ces deux mécanismes fonctionnent probablement ensemble pour former dynamiquement des réseaux fonctionnels », écrivent les auteurs.

Comprendre la sélectivité mixte, poursuivent-ils, est essentiel à la compréhension de la cognition.

« La sélectivité mixte est omniprésente », concluent-ils. « Il est présent partout espèces et à travers des fonctions allant de la cognition de haut niveau aux processus sensorimoteurs « automatiques » tels que la reconnaissance d'objets. La présence généralisée de la sélectivité mixte souligne son rôle fondamental en fournissant au cerveau la puissance de traitement évolutive nécessaire à une pensée et une action complexes.