Les humains identifient rapidement les petits nombres (jusqu’à quatre), mais ont du mal à identifier les plus grands. Des recherches récentes révèlent que le cerveau possède des mécanismes distincts pour traiter les petites et les grandes quantités. Les formes d’onde cérébrales montrent quand les neurones fonctionnent. Crédit : Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/Université de Bonn
Des recherches menées à Tübingen et Bonn ont mis en évidence l’existence de deux mécanismes de traitement distincts.
Lorsqu’on nous présente deux à quatre pommes, nous pouvons rapidement en discerner le décompte. Cependant, avec cinq pommes ou plus, notre temps de reconnaissance augmente et nous faisons souvent des erreurs de calcul. En fait, le cerveau enregistre un plus petit nombre de choses différemment des plus grands. Des recherches récentes, menées par l’Université de Tübingen, l’Université de Bonn et l’hôpital universitaire de Bonn, montrent que le cerveau traite les petites quantités différemment des plus grandes. Ces résultats ont été récemment rapportés dans la revue Comportement humain.
Imaginez que quelqu’un nous montre une photo d’un quatuor à cordes et nous demande de dire combien de personnes il y a sur la photo. Nous n’avons pas le temps de les compter mais nous pouvons tous répondre d’un seul coup : « Quatre ! » La photo suivante montre un septuor et encore une fois, nous n’avons que le temps de jeter un coup d’œil rapide. Nous hésitons et ne sommes pas aussi confiants cette fois : « Huit ». Le nombre correct est en fait sept mais nous étions très proches.
Il semble y avoir deux manières distinctes par lesquelles nous, les humains, avons tendance à traiter un certain nombre de choses : Nous sommes généralement capables de détecter un petit nombre de choses très rapidement et correctement. Ceci est également qualifié de «subitisant» dans les milieux de la recherche. Cependant, cette méthode change brusquement lorsqu’il y a cinq éléments ou plus : nous avons besoin de plus en plus de temps pour répondre et nos réponses deviennent de plus en plus imprécises.
À l’aide d’électrodes ultrafines implantées dans les lobes temporaux des patients épileptiques, les chercheurs peuvent visualiser l’activité de neurones uniques dans différentes régions du cerveau. Crédit : Christian Burkert/Fondation Volkswagen/Université de Bonn
Certains chercheurs ont donc émis l’hypothèse qu’il existe deux méthodes de traitement différentes dans le cerveau : une méthode précise pour les petits nombres et un mécanisme d’estimation pour un plus grand nombre de choses. « Cependant, cette idée a été contestée jusqu’à présent », explique le professeur Florian Mormann du département d’épileptologie de l’hôpital universitaire de Bonn, qui mène des recherches à l’université de Bonn. « Il se pourrait aussi que notre cerveau fasse toujours une estimation, mais que les taux d’erreur pour un plus petit nombre de choses soient si faibles qu’ils passent tout simplement inaperçus. »
Les neurones pour un plus petit nombre de choses sont plus sélectifs
Cependant, une étude récente indique en réalité que nous traitons effectivement différemment un petit et un grand nombre de choses. Les groupes de recherche impliqués dans le projet ont pu démontrer il y a quelques années que le cerveau possède des cellules nerveuses responsables de chaque numéro. Certains neurones se déclenchent, par exemple, principalement pour deux éléments, d’autres pour quatre éléments, et encore d’autres encore pour sept éléments. « Cependant, les neurones se déclenchent également en réponse à de légères variations de leur nombre », explique le professeur Andreas Nieder de l’université de Tübingen, qui était l’autre auteur principal de l’étude aux côtés de Mormann. « Une cellule cérébrale pour un certain nombre de « sept » éléments déclenche donc également pour six et huit éléments, mais plus faiblement. La même cellule est toujours activée mais encore moins pour cinq ou neuf éléments.
Les participants à l’étude ont vu un ensemble de points sur l’écran devant eux pendant une demi-seconde. Après une courte pause, ils devaient indiquer si le nombre était pair ou impair. Si le nombre de points était inférieur à cinq, ils donnaient généralement la bonne réponse sans hésitation. Au-delà de ce chiffre, le temps de réponse et le taux d’erreur ont augmenté régulièrement. Crédit : AG Mormann/Université de Bonn
Nieder a déjà pu démontrer cet « effet de distance numérique » dans des expériences sur des singes. Il est intéressant de noter que cet effet ne semble se produire chez les humains qu’à des niveaux plus élevés. « Il semble y avoir un mécanisme supplémentaire pour les nombres inférieurs à cinq éléments qui rend ces neurones plus précis », explique le neurobiologiste.
Lorsqu’une cellule cérébrale correspondant à un certain nombre de trois choses se déclenche, elle inhibe simultanément les cellules cérébrales correspondant aux nombres deux et quatre. Cela réduit le risque que ces cellules se déclenchent également de manière incorrecte pour le chiffre trois. Cependant, ce mécanisme n’existe pas pour les neurones activés pour les nombres cinq, six ou huit. C’est pourquoi le taux d’erreur est plus élevé pour ces chiffres.
Observer des cellules cérébrales individuelles au travail
Les chercheurs ont profité d’une particularité de l’hôpital universitaire de Bonn dans leur étude : le département d’épileptologie de l’hôpital est spécialisé dans la chirurgie cérébrale. Les médecins tentent de traiter l’épilepsie en procédant à des opérations visant à retirer le tissu nerveux malade. Afin d’identifier l’emplacement du foyer épileptogène, ils insèrent parfois d’abord des électrodes dans le cerveau de la personne affectée.
Dix-sept patients ont participé à la dernière étude. En préparation de leurs opérations, des microélectrodes aussi fines qu’un cheveu humain ont été insérées dans le lobe temporal. «Nous avons pu les utiliser pour mesurer la réaction de cellules nerveuses individuelles à des stimuli visuels», explique Esther Kutter, qui a réalisé une grande partie des expériences pour son doctorat dans le groupe de recherche dirigé par le professeur Mormann.
Les sujets du test étaient assis devant un écran d’ordinateur sur lequel différents nombres de points apparaissaient pendant une demi-seconde. Il a ensuite été demandé aux participants d’indiquer s’ils avaient vu un nombre pair ou impair de points. Ils ont pu réagir très rapidement et n’ont commis pratiquement aucune erreur jusqu’à quatre points. Après cela, le nombre d’erreurs a augmenté avec le nombre de points, tout comme le temps de réflexion dont les participants avaient besoin pour accomplir leur tâche.
Ces travaux ouvriront de nouvelles perspectives sur la manière dont les nombres sont traités dans le cerveau humain. À long terme, les résultats pourraient conduire à une meilleure compréhension de la dyscalculie, un trouble du développement associé à une mauvaise compréhension des chiffres.
Instituts participants et financement : L’Université de Tübingen, l’Université de Bonn et l’Hôpital universitaire de Bonn ont participé à l’étude. La recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) et le réseau de recherche iBehave du Land de Rhénanie du Nord-Westphalie.
