Des recherches du MIT démontrent que les cartes cognitives, généralement utilisées pour la navigation physique et stockées dans l'hippocampe et le cortex entorhinal, sont également créées et activées pendant la navigation mentale sans apport sensoriel. Crédit : Issues.fr.com
MIT Les neuroscientifiques ont découvert que le cerveau utilise les mêmes représentations cognitives, qu’il navigue physiquement ou mentalement dans l’espace.
Cette découverte met en évidence le rôle du cortex entorhinal dans le traitement des expériences physiques et imaginaires.
Lorsque vous parcourez votre itinéraire habituel pour vous rendre au travail ou faire vos courses, votre cerveau utilise des cartes cognitives stockées dans votre hippocampe et votre cortex entorhinal. Ces cartes stockent des informations sur les chemins que vous avez empruntés et les lieux que vous avez visités auparavant, afin que vous puissiez vous orienter à chaque fois que vous vous y rendez.
De nouvelles recherches du MIT ont montré que de telles cartes mentales sont également créées et activées lorsque vous pensez simplement à des séquences d'expériences, en l'absence de tout mouvement physique ou apport sensoriel. Dans une étude animale, les chercheurs ont découvert que le cortex entorhinal abrite une carte cognitive de ce que vivent les animaux lorsqu'ils utilisent un joystick pour parcourir une séquence d'images. Ces cartes cognitives sont alors activées lors de la réflexion sur ces séquences, même lorsque les images ne sont pas visibles.
Il s'agit de la première étude à montrer la base cellulaire de la simulation mentale et de l'imagination dans un domaine non spatial grâce à l'activation d'une carte cognitive dans le cortex entorhinal.
Selon une nouvelle étude du MIT, les représentations mentales appelées cartes cognitives sont activées lorsque le cerveau effectue des simulations mentales d'un itinéraire de navigation. Crédit : Christine Daniloff, MIT ; iStock
« Ces cartes cognitives sont recrutées pour effectuer une navigation mentale, sans aucune entrée sensorielle ni sortie motrice. Nous pouvons voir une signature de cette carte se présentant lorsque l'animal vit mentalement ces expériences », explique Mehrdad Jazayeri, professeur agrégé de sciences du cerveau et des sciences cognitives, membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et auteur principal. de l’étude.
Sujaya Neupane, chercheuse scientifique à l'Institut McGovern, est l'auteur principal de l'article, qui a été publié le 12 juin dans Nature. Ila Fiete, professeur de sciences du cerveau et des sciences cognitives au MIT, membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et directrice du K. Lisa Yang Integrative Computational Neuroscience Center, est également l'auteur de l'article.
Explorer les cartes cognitives dans la navigation mentale
De nombreux travaux sur des modèles animaux et humains ont montré que les représentations d'emplacements physiques sont stockées dans l'hippocampe, une petite structure en forme d'hippocampe, et dans le cortex entorhinal voisin. Ces représentations sont activées chaque fois qu'un animal se déplace dans un espace dans lequel il s'est déjà rendu, juste avant de traverser l'espace ou lorsqu'il dort.
« La plupart des études antérieures se sont concentrées sur la manière dont ces zones reflètent les structures et les détails de l’environnement lorsqu’un animal se déplace physiquement dans l’espace », explique Jazayeri. « Lorsqu’un animal se déplace dans une pièce, ses expériences sensorielles sont bien codées par l’activité des neurones de l’hippocampe et du cortex entorhinal. »
Dans la nouvelle étude, Jazayeri et ses collègues voulaient déterminer si ces cartes cognitives sont également construites puis utilisées lors de parcours purement mentaux ou lors de l'imagination de mouvements à travers des domaines non spatiaux.
Étude des cartes cognitives dans les tâches mentales
Pour explorer cette possibilité, les chercheurs ont entraîné les animaux à utiliser un joystick pour tracer un chemin à travers une séquence d’images (« points de repère ») espacées à intervalles réguliers. Au cours de l’entraînement, les animaux n’ont vu qu’un sous-ensemble de paires d’images, mais pas toutes les paires. Une fois que les animaux ont appris à naviguer à travers les paires d’entraînement, les chercheurs ont testé s’ils pouvaient gérer les nouvelles paires qu’ils n’avaient jamais vues auparavant.
Il est possible que les animaux n’apprennent pas une carte cognitive de la séquence, mais résolvent la tâche en utilisant une stratégie de mémorisation. Dans ce cas, ils devraient avoir du mal à assimiler les nouvelles paires. En revanche, si les animaux s’appuient sur une carte cognitive, ils devraient être capables de généraliser leurs connaissances aux nouvelles paires.
« Les résultats ont été sans équivoque », déclare Jazayeri. « Les animaux étaient capables de naviguer mentalement entre les nouvelles paires d’images dès le premier test. Cette découverte fournit de solides preuves comportementales de la présence d’une carte cognitive. Mais comment le cerveau établit-il une telle carte ?
Modèles neuronaux et navigation mentale
Pour répondre à cette question, les chercheurs ont enregistré des neurones individuels dans le cortex entorhinal pendant que les animaux effectuaient cette tâche. Les réponses neuronales présentaient une caractéristique frappante : lorsque les animaux utilisaient le joystick pour naviguer entre deux points de repère, les neurones présentaient des pics d'activité distinctifs associés à la représentation mentale des points de repère intermédiaires.
« Le cerveau subit ces pics d'activité au moment prévu, alors que les images intermédiaires seraient passées par les yeux de l'animal, ce qui n'est jamais le cas », explique Jazayeri. « Et le moment crucial entre ces bosses était exactement le moment auquel l'animal aurait pu s'attendre à atteindre chacune d'entre elles, qui dans ce cas était de 0,65 seconde. »
Les chercheurs ont également montré que la vitesse de la simulation mentale était liée à la performance des animaux dans la tâche : lorsqu'ils étaient un peu en retard ou en avance dans la réalisation de la tâche, leur activité cérébrale montrait un changement correspondant dans le timing. Les chercheurs ont également trouvé des preuves que les représentations mentales dans le cortex entorhinal n'encodent pas les caractéristiques visuelles spécifiques des images, mais plutôt la disposition ordinale des points de repère.
Développer un modèle informatique d'apprentissage
Pour explorer davantage le fonctionnement de ces cartes cognitives, les chercheurs ont construit un modèle informatique pour imiter l'activité cérébrale qu'ils ont trouvée et démontrer comment elle pourrait être générée. Ils ont utilisé un type de modèle connu sous le nom de modèle d'attracteur continu, développé à l'origine pour modéliser la façon dont le cortex entorhinal suit la position d'un animal lorsqu'il se déplace, sur la base d'entrées sensorielles.
Les chercheurs ont personnalisé le modèle en ajoutant un composant capable d'apprendre les modèles d'activité générés par les entrées sensorielles. Ce modèle a ensuite pu apprendre à utiliser ces modèles pour reconstruire ces expériences plus tard, lorsqu’il n’y avait aucune entrée sensorielle.
« L’élément clé que nous devions ajouter est que ce système a la capacité d’apprendre de manière bidirectionnelle en communiquant avec des entrées sensorielles. Grâce à l’apprentissage associatif que le modèle subit, il va réellement recréer ces expériences sensorielles », explique Jazayeri.
Les chercheurs envisagent désormais d'étudier ce qui se passe dans le cerveau lorsque les points de repère ne sont pas uniformément espacés ou s'ils sont disposés en anneau. Ils espèrent également enregistrer l'activité cérébrale dans l'hippocampe et le cortex entorhinal lorsque les animaux apprennent à effectuer la tâche de navigation.
« Voir la mémoire de la structure se cristalliser dans l’esprit, et comment cela conduit à l’activité neuronale qui émerge, est une manière vraiment précieuse de demander comment se produit l’apprentissage », explique Jazayeri.
La recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, les Fonds de recherche du Québec, le Instituts nationaux de la santéet le prix Paul et Lilah Newton pour la science du cerveau.
