Vos attentes façonnent et accélèrent votre perception. Un nouveau modèle expliquant cet effet suggère de mettre à jour les théories du traitement du signal.
Si vous vous attendez à un certain goût et que votre langue est différente, cela vous semblera désagréable. Si le goût est attendu, vous le ressentirez plus rapidement.Imaginez que vous avez pris un verre et pensez que l'intérieur est du jus de pomme, puis, après avoir bu une gorgée, vous découvrez qu'il s'agit de soda au gingembre. Même si vous aimez habituellement le soda, cette fois le goût vous semble dégoûtant. En effet, le contexte et les états internes, y compris les attentes, affectent la façon dont les animaux détectent et traitent les informations des sens, explique
Alfredo Fontanini , neuroscientifique à l'Université Stony Brook à New York. Dans ce cas, attendre le mauvais stimulus entraîne une surprise et une réaction négative.
Cependant, cette influence ne se limite pas à la qualité de la perception. Entre autres effets, régler les sens pour attendre l'entrée, bonne ou mauvaise, peut augmenter la vitesse à laquelle un animal les détecte, les identifie et y répond.
Il y a de nombreuses années, Fontanini et l'équipe ont découvert des preuves directes de cet effet d'accélération dans le cortex gustatif - la partie du cerveau responsable de la perception du goût. Depuis lors, ils essaient de trouver une structure dans le cortex qui rend cet effet possible. Et ils ont donc réussi. En avril 2019, ils ont
publié leurs découvertes dans la revue Nature Neuroscience: un modèle de réseau avec une architecture spécifique qui offre non seulement de nouvelles idées sur les principes du travail de l'attente, mais va également sur le territoire de questions plus larges sur la façon dont les neuroscientifiques devraient se rapporter à la perception. De plus, les conclusions coïncident quelque peu avec la théorie de la prise de décision, selon laquelle le cerveau ne prend pas de décisions progressivement, mais les prend à la hâte.
Sentiments accélérés et états actifs
Le goût, la sensation la moins explorée, était un point de départ idéal. Après l'apparition du goût sur la langue, plusieurs centaines de millisecondes s'écoulent avant que l'activité du cortex gustatif commence à refléter les données d'entrée. "En termes de fonction cérébrale, cela fait énormément de temps", a déclaré
Don Katz , neuroscientifique à l'Université Brandeis dans le Massachusetts (dont le laboratoire Fontanini a effectué des études post-doctorales). «Dans le cortex visuel, tout se passe dans une petite fraction de ce temps», ce qui rend beaucoup plus difficile pour la vision de reconnaître l'effet d'attente que les scientifiques voulaient étudier.
En 2012, Fontanini et ses collègues ont mené une expérience dans laquelle des rats ont entendu un son («indice préliminaire»), puis ont reçu une petite dose de nourriture à travers un tube dans leur bouche. Son goût lui-même pouvait être sucré, salé, aigre ou amer, et il n'y avait aucune information dans l'infobulle concernant son personnage.
Néanmoins, il a été constaté que, dans l'ensemble, l'attente du goût faisait reconnaître aux neurones du cortex gustatif le stimulus presque deux fois plus vite que lorsque les rats recevaient de la nourriture sans entendre le son préliminaire. Le retard est passé d'environ 200 ms à 120 ms.
Fontanini voulait savoir quel réseau neuronal permettrait théoriquement une accélération du codage. Il a attiré un spécialiste qui n'avait pas travaillé auparavant dans le domaine du goût: un collègue de Stony Brook, un neuroscientifique,
Giancarlo la Camera , qui avait auparavant travaillé sur la modélisation de l'activité cérébrale spontanée qui se produit même en l'absence de stimuli.
Alfredo Fontanini et Giancarlo la CameraAu cours des dernières décennies, il y a eu une croyance croissante que la majeure partie de l'activité des réseaux de capteurs est générée en interne et non causée par des stimuli externes. Si nous comparons l'activité du cortex visuel d'un animal dans l'obscurité totale avec son activité, lorsque l'animal est examiné, il sera difficile de trouver des différences entre eux. Même en l'absence de lumière, des ensembles de neurones dans le cortex visuel commencent à s'activer ensemble, simultanément ou à une fréquence prévisible. Cette réponse interconnectée est située dans le soi-disant état métastable de quelques centaines de millisecondes à plusieurs secondes, puis la configuration de l'activité passe à une autre. La métastabilité, ou la tendance à passer d'un état fugace à un autre, se poursuit après l'apparition du stimulus, mais certains états apparaissent souvent plus souvent en relation avec un stimulus particulier et sont donc considérés comme des «états codants».
La Camera et d'autres (dont Katz) ont déjà modélisé la métastabilité, créant ce qu'on appelle un réseau en cluster. À l'intérieur, des groupes de neurones excitants sont étroitement liés les uns aux autres, et les neurones inhibiteurs sont connectés de manière aléatoire avec des neurones excitants, ce qui a un large effet d'étouffement sur l'ensemble du système. "Une telle architecture en cluster est fondamentalement importante pour créer la métastabilité", a déclaré Fontanini.
Fontanini, La Camera et leur collègue, un postdoctorant, Luca Mazzukato (qui travaille maintenant à l'Université de l'Oregon) ont constaté que la même structure de réseau était nécessaire pour recréer l'effet d'attente. Dans un modèle métastable d'architecture en cluster, les chercheurs ont simulé un indice d'avertissement, suivi d'un stimulus gustatif spécifique. En conséquence, ils ont reproduit avec succès le schéma de codage accéléré observé par Fontanini chez le rat en 2012: les transitions d'un état métastable à un autre ont été accélérées, ce qui a permis au système de passer rapidement aux états de codage. Les résultats des travaux montrent qu'en créant simplement un réseau pour démontrer des schémas d'activité métastables, «vous pouvez capturer beaucoup de réponses neurologiques tout en stimulant le goût», a déclaré Fontanini.
Lorsque les chercheurs ont tenté de simuler des invites et des stimuli d'avertissement dans un réseau qui ne disposait pas de neurones en cluster, ils n'ont pas pu répéter les résultats de 2012. Par conséquent, "cet effet n'est possible que dans les réseaux d'un certain type", a déclaré Katz.
Marche moins stressante
La découverte a semblé remarquable, tout d'abord, car elle a donné une idée du type d'architecture à rechercher dans le véritable cortex gustatif - et peut-être dans d'autres parties du cortex responsables des organes sensoriels. Jusqu'à présent, les neuroscientifiques discutent de la façon dont le goût est traité: certains disent que certains neurones peuvent coder «doux» et d'autres «salés», créant des réponses neurologiques caractéristiques pour certains goûts. D'autres l'associent à des schémas d'activité plus larges; la plupart des neurones répondent à la plupart des goûts, et le schéma neurologique résultant correspond à peu près à l'un ou l'autre goût. Le travail de Fontanini et ses collègues soutient la dernière théorie, prédisant exactement à quoi devrait ressembler cette structure. Déjà, seuls les grappes «décrivent les nombreuses propriétés de l'écorce gustative», a déclaré Fontanini, «une activité spontanée, une séquence de rétroaction sur le goût, l'effet de l'attente». Il espère continuer à découvrir l'histoire de la formation de ces amas et quels autres types d'activité nerveuse ils affectent.
Il décrit également la base neurale des attentes dans le cerveau. La pointe d'avertissement n'excite pas seulement certains neurones ou provoque un certain ensemble de conditions, qui codent ensuite le stimulus. Au lieu de cela, l'attente modifie la dynamique - en particulier la vitesse de commutation - de l'ensemble du système.
Fontanini et la Camara comparent cette dynamique avec une balle se déplaçant à travers un paysage rempli de tranchées. Ces renfoncements indiquent des états de réaction, et l'attente incline le terrain pour que la balle tombe plus rapidement dans la première tranchée. Il lisse également les terrains vallonnés le long desquels la balle doit passer d'un état à un autre, facilitant cette transition et se bloquant.
Autrement dit, l'attente rend le réseau moins collant. Il vous permet de marcher plus facilement vers des états qui codent réellement le goût, mais il ne donne pas une telle stabilité que le système est coincé dans un état. Ce problème afflige souvent de tels réseaux en cluster: en raison de ce regroupement, certaines «tranchées» s'avèrent trop profondes et le système amplifie des informations incorrectes. Mais ces découvertes indiquent que pour résoudre ce problème "vous n'avez pas besoin d'un système complexe", a déclaré Georg Keller, un neuroscientifique qui étudie le travail de la vision à l'Institut de recherche biomédicale. Friedrich Miescher en Suisse.
Fontanini et la Camera espèrent qu'un mécanisme similaire pourra expliquer le travail d'autres processus qui prennent le contexte au-delà des attentes, comme l'attention et l'apprentissage. Mais, peut-être, «la conséquence la plus importante de notre travail sera un déplacement de l'attention de la réaction statique des neurones codant certaines réactions à leur comportement dynamique», a déclaré la Camera.
Bien que l'approche de l'étude de la neurobiologie à travers des systèmes dynamiques ne puisse pas être qualifiée de nouvelle, elle a été difficile à tester et à modéliser. Les experts ont généralement tendance à une structure hiérarchique de la représentation de la perception sensorielle: le cortex se construit et intègre des caractéristiques pour la formation de perceptions, envoyant des signaux à d'autres couches du réseau qui intègrent encore plus d'informations jusqu'à ce que le cerveau prenne une décision ou choisisse un comportement.
Mais ce n'est pas le cas dans cet article. Les résultats de l'équipe plaident en faveur d'une autre idée de traitement du signal dans laquelle "tout se passe en même temps, avant l'arrivée du signal de stimulation", a déclaré Leslie Kay, neuroscientifique à l'Université de Chicago qui travaille sur l'odorat. "Les informations apprises sont dans le cortex, forment un système de groupes de neurones interconnectés dénotant ces informations, puis vous les influencez à l'aide d'attentes, ce qui entraîne la manifestation de ce que ce système sait."
Ruée soudaine
Il résulte du modèle que le processus de prise de décision n'est pas une construction en douceur basée sur les informations reçues, mais plutôt quelque chose comme une séquence d'idées, un saut de fluctuations neuronales. Katz a utilisé le même modèle que Fontanini avec la Camera pour soutenir l'idée que la prise de décision "se produit dans une précipitation soudaine."
La connexion entre ces "angles complètement différents du goût" - le travail de Fontanini sur le traitement des sensations des sens et son étude de leur traitement ultérieur - laisse Katz dans un état "d'anticipation joyeuse".
Elle souligne également la nécessité de s'éloigner de la concentration sur les neurones individuels qui répondent à certaines invites, et de s'orienter vers des états et dynamiques internes pour mieux comprendre le fonctionnement des réseaux de capteurs - même dans le cas des stimuli sensoriels les plus élémentaires. "Il est beaucoup plus facile de dire qu'un neurone augmente le nombre d'activations", a déclaré Anan Moran, neuroscientifique à l'Université de Tel Aviv en Israël. Mais pour comprendre le fonctionnement des organismes, "vous ne pouvez pas prendre en compte uniquement le stimulus, vous devez tenir compte de l'état interne", a-t-il ajouté. "Et cela signifie que notre idée précédente du mécanisme utilisé par le cerveau pour mettre en œuvre des sensations, des actions, etc., doit être revue."
"La plupart de ce qui se passe dans le cortex gustatif avant que le stimulus ne l'atteigne, est associé à son traitement à l'arrivée", a déclaré Katz. Dans ce cas, une étude de la façon dont ces états internes changent sous l'influence de l'expérience ou d'indices a révélé de nouvelles informations sur la connectivité réseau.
Maintenant, Moran a dit qu'une telle dépendance contextuelle devrait subir d'autres études de perception et de pensée. «La dernière frontière est le système visuel. Ces travaux peuvent nous renseigner sur le traitement des informations visuelles. "
"Nous n'avons pas encore de bon modèle unifié qui combine toutes ces activités", a-t-il ajouté. Mais c'est un "bon point de départ".