Pour augmenter l'attention, notre cerveau n'augmente pas la concentration, mais utilise des filtres d'information

Un réseau de neurones qui supprime les informations distrayantes des sens détient les clés pour démêler le travail de l'attention et d'autres processus cognitifs.

Nous ne prêtons attention qu'à une petite fraction des informations provenant des organes des sens qui nous parviennent. De nouveaux résultats de recherche aident à comprendre comment le cerveau à chaque instant filtre les sensations les moins intéressantes.

Nous pouvons écouter la conversation dans une pièce bruyante, entre autres voix devenir plus silencieuses ou plus fortes, ou au milieu du bourdonnement du climatiseur. Nous pouvons voir un trousseau de clés dans une mer de déchets, ou un raton laveur, se précipitant sur la voiture. Parfois, même avec une énorme quantité d'informations remplissant nos sens, nous pouvons nous concentrer sur ce qui est important pour nous et agir en conséquence.

Les processus de changement d'attention aident le cerveau à allumer le «projecteur» associé au stimulus souhaité et à filtrer tout le reste. Les neuroscientifiques veulent identifier les réseaux de neurones qui guident et alimentent ce projecteur. Pendant des décennies, leurs recherches ont été associées au cortex, une structure ondulée à la surface du cerveau, généralement associée à l'intelligence et au travail de l'esprit. Il est devenu clair que l'activité du cortex améliore le traitement du signal pour se concentrer sur les choses qui nous intéressent.

Cependant, aujourd'hui, certains chercheurs tentent d'utiliser une approche différente, étudiant comment le cerveau supprime l'information, et non comment il la complète. Plus important encore, ils ont constaté que le processus impliquait des parties plus anciennes et plus profondes du cerveau - des zones qui sont rarement considérées comme liées à l'attention.

Pour cette raison, les scientifiques ont involontairement commencé à progresser progressivement vers une meilleure compréhension de la façon dont le corps et l'esprit sont profondément et inextricablement liés - grâce à la perception automatique des sensations, des mouvements physiques et de la conscience de niveau supérieur.

Chasse aux réseaux de neurones

L'attention semblait si fortement liée à la conscience et à d'autres fonctions complexes du cerveau que pendant un certain temps, les scientifiques l'ont considérée principalement comme une manifestation du travail du cortex cérébral. Pour la première fois, cette idée a été sérieusement abandonnée en 1984 lorsque Francis Crick, connu pour son travail sur les structures de l'ADN, a suggéré que le «projecteur» est contrôlé par une région profonde du cerveau appelée le thalamus , dont une partie reçoit des données des organes sensoriels et les transfère au cortex. . Il a développé la théorie selon laquelle le thalamus sensoriel fonctionne non seulement comme un émetteur, mais aussi comme un gardien - non seulement un pont, mais aussi un tamis - retenant une partie du flux de données pour établir un certain niveau de concentration.

Cependant, des décennies se sont écoulées et les tentatives pour déterminer le mécanisme responsable de cet échec - en particulier parce qu'il est extrêmement difficile d'étudier l'attention des animaux en laboratoire.


Michael Halassa, neuroscientifique au MIT

Cela n'a pas empêché Michael Halassa , neuroscientifique au Brain Research Institute. McGovern au MIT. Il voulait déterminer exactement comment les données sensorielles sont filtrées avant que ces informations n'atteignent le cortex cérébral, pour trouver un réseau neuronal spécifique, qui, selon Crick, s'y est engagé.

Il était attiré par une fine couche de neurones inhibiteurs, le «noyau du réticulum du thalamus» (SNF), qui sert de membrane au thalamus. Au moment où Halassa est devenu postdock, il avait déjà trouvé un mécanisme de dépistage approximatif: SNF manquait de données sensorielles lorsque l'animal était éveillé et prêtait attention à certains aspects de l'environnement, mais les a bloqués lorsqu'il dormait.

En 2015, Halassa et ses collègues ont trouvé un taux d'abandon encore plus fin, ce qui nous a permis d'affecter de manière plus fiable SNF au réseau neuronal recherché depuis longtemps - et cette fois, il était lié à la façon dont les animaux choisissent sur quoi se concentrer lorsque leur attention est divisée entre plusieurs organes sentiments. L'étude a utilisé des souris entraînées à suivre à la fois la lumière clignotante et le son. Ensuite, les scientifiques ont allumé les animaux simultanément plusieurs commandes contradictoires de la lumière et du son, tout en leur indiquant quel signal devrait être ignoré. La réponse des souris a montré leur efficacité à se concentrer. Dans l'expérience, les scientifiques ont utilisé des techniques bien établies pour désactiver l'activité dans différentes parties du cerveau pour voir dans quels cas cela empêcherait les animaux d'agir efficacement.

Comme prévu, le rôle du cortex préfrontal, délivrant des commandes de haut niveau à d'autres parties du cerveau, était essentiel. Cependant, l'équipe a également constaté que si dans l'expérience, les souris devaient prêter attention à la vision, la déconnexion des neurones dans le SNF visuel les empêchait d'agir. De plus, lorsque ces neurones étaient désactivés, les souris avaient du mal à se concentrer sur le son. En fait, le réseau neuronal a tordu les boutons de réglage des processus inhibiteurs plutôt que passionnants, et SNF a inhibé les informations que le cortex préfrontal considérait distrayantes. Si la souris devait donner la priorité aux informations auditives, le cortex préfrontal a donné un signal au SNF visuel pour augmenter l'activité pour supprimer le thalamus visuel, ce qui a coupé le flux de données visuelles inutiles.

Il s'est avéré que la métaphore avec attention en tant que projecteur fonctionne dans l'autre sens: le cerveau n'améliore pas «l'éclairage» du stimulus qui l'intéresse, mais «atténue l'éclairage» de tout le reste.

Malgré le succès de l'étude, les scientifiques ont été confrontés à un problème. Ils ont confirmé la suspicion de Crick: le cortex préfrontal contrôle le filtre du thalamus pour les informations sensorielles entrantes. Cependant, le cortex préfrontal n'est pas directement lié aux parties sensorielles du SNF. Des parties du réseau neuronal étaient manquantes.

Jusqu'à récemment. Et puis, enfin, Halassa et ses collègues ont mis en place les dernières pièces du puzzle, et les résultats ont révélé beaucoup de choses sur la façon d'étudier l'attention.

Nous bloquons, ombrons, clignons des yeux

En utilisant des expériences similaires à celles qu'ils ont menées en 2015, les membres de l'équipe ont sondé l'interaction fonctionnelle de diverses parties du cerveau, ainsi que les connexions neuronales entre elles. Ils ont découvert qu'un réseau neuronal complet s'étend du cortex préfrontal aux structures plus profondes, les noyaux basaux (souvent associés à la motilité et à de nombreuses autres fonctions), puis se rend au SNF et au thalamus, puis revient aux régions supérieures du cortex. Ainsi, par exemple, les informations visuelles provenant des yeux vers le thalamus visuel peuvent être interceptées presque instantanément si elles ne sont pas liées à la tâche exécutée. Les noyaux basaux peuvent intervenir et activer le SNF pour filtrer les stimuli externes, conformément aux instructions du cortex préfrontal.

«C'est un chemin de rétroaction intéressant que, à mon avis, personne n'a jamais décrit auparavant», a déclaré Richard Krautslis , neuroscientifique au National Eye Institute des National Institutes of Health dans le Maryland, qui n'était pas impliqué dans l'étude.

De plus, les chercheurs ont découvert que le mécanisme ne filtre pas simplement un sentiment afin d'attirer l'attention sur un autre: il filtre également les informations au sein de ce sentiment. Lorsque les souris ont laissé entendre qu'elles devaient prêter attention à certains sons, SNF a aidé à supprimer le bruit de fond dans le signal sonore. Le résultat du traitement des données d'entrée des organes sensoriels "peut être beaucoup plus précis que la simple suppression de toute la région du thalamus pour une modalité sensorielle, ce qui est une forme de suppression assez grossière", a déclaré Duje Tadin , neuroscientifique à l'Université de Rochester.

«Souvent, nous ne prêtons pas attention à la façon de nous débarrasser des choses moins importantes», a-t-il ajouté. «Et je pense qu'il existe un moyen plus efficace de gérer les informations.» Si vous êtes dans une pièce bruyante, vous pouvez essayer d'élever la voix pour être entendu - ou essayer d'éliminer la source de bruit. Tadin étudie la suppression des effets de fond dans d'autres processus qui se produisent automatiquement, et aussi plus rapidement que l'attention sélective.

Les découvertes de Halassa suggèrent que le cerveau ferme les informations extérieures plus tôt que prévu. "Ce qui est intéressant", a déclaré Jan Fiebelkorn , neuroscientifique cognitif à l'Université de Princeton, "le filtrage commence à cette toute première étape, avant que les informations n'atteignent le cortex visuel."



Il existe un point faible évident dans la stratégie d’éjection du cerveau pour les informations sensorielles - à savoir, le danger que les données jetées se révèlent être d’une importance inattendue. Les travaux de Fiebelkorn suggèrent que le cerveau a un moyen de s’assurer contre de tels risques.

Fiebelkorn dit que les gens imaginent le projecteur comme un rayon de lumière constant mettant en évidence les endroits où l'animal devrait diriger ses ressources cognitives. "Mais mes recherches montrent que ce n'est pas le cas", a-t-il déclaré. "Apparemment, ce projecteur clignote."

Selon ses découvertes, la focalisation du projecteur devient plus faible que quatre fois par seconde, probablement afin que l'animal ne se concentre pas trop en un seul endroit ou un seul stimulus. Cette brève suppression d'informations importantes stimule les stimuli périphériques et crée la capacité pour le cerveau de déplacer son attention vers autre chose si nécessaire. "Le cerveau est apparemment conçu pour être distrait périodiquement", a-t-il déclaré.

Fibelcorn et ses collègues étudient les régions sous-corticales dans le but de révéler la structure des réseaux de neurones. Jusqu'à présent, ils étudient le rôle d'une autre section du thalamus, mais prévoient à l'avenir, comme l'équipe de Halassa, de traiter les noyaux gris centraux.

Penser en action

Ces travaux marquent un changement significatif en neurobiologie: une fois que les processus d'attention étaient considérés comme le domaine exclusif du cortex. Cependant, selon Krautslis, au cours des cinq dernières années "il est devenu un peu plus évident que tout cela se passe sous l'écorce".

"La plupart des gens veulent que le cortex cérébral fasse tout le travail acharné, mais je ne pense pas que ce soit réaliste", a déclaré John Maunsel , neuroscientifique à l'Université de Chicago.


Halassa avec un réseau multi-électrodes, avec lequel lui et ses collègues contrôlaient l'activité cérébrale

La découverte par Halassa du rôle des noyaux gris centraux dans le travail d'attention est particulièrement intéressante. En particulier, parce que c'est une partie si ancienne du cerveau qui n'était pas considérée comme faisant partie du réseau responsable de l'attention sélective. "Les poissons en ont aussi", a expliqué Krautslis. «Jusqu'aux premiers vertébrés, y compris les lamproies qui n'ont même pas de mâchoire» - ou un néocortex - «ils ont essentiellement une version simple des noyaux gris centraux et certains de ces mêmes réseaux de neurones.» Les réseaux de neurones de poissons peuvent nous dire comment l’attention a évolué.

Halassa s'intéresse particulièrement au fait que le lien entre l'attention et les noyaux gris centraux peut s'ouvrir à nous dans le domaine de maladies telles que le trouble déficitaire de l'attention et l'autisme, qui se manifestent souvent comme une hypersensibilité à certaines données sensorielles entrantes.

Mais peut-être le plus intéressant de tous, en ce qui concerne la participation des noyaux gris centraux à ces processus, est que cette structure est généralement associée au contrôle moteur, et certaines des études plus récentes l'associent de plus en plus à l'apprentissage avec des récompenses, la prise de décision et d'autres types de motivation comportement.

Après les travaux effectués au laboratoire de Halassa, le rôle des noyaux gris centraux a été élargi pour inclure la gestion des données sensorielles. Cela souligne le fait que «l'attention consiste vraiment à passer de l'un à l'autre dans le bon ordre, pendant lequel vous n'êtes pas distrait par quelque chose qui ne devrait pas vous distraire», a expliqué Maunsel. «L'idée d'inclure des structures de motilité dans ce processus est logique - elles devraient être au centre même du processus décisionnel sur ce que vous ferez dans l'instant suivant, et sur ce que vous devriez concentrer les ressources sensorielles.»

Cela coïncide avec la popularité croissante de l'attention à l'attention - et à la pensée en général - en tant que processus basés sur ce que l'on appelle "Résultats actifs." Le cerveau ne prend pas seulement passivement des échantillons d'informations de l'environnement, répondant aux stimuli externes reçus. Le processus inverse a également lieu - de petits mouvements physiques tels que le clignotement contrôlent également la perception. Les systèmes sensoriels et moteurs "ne fonctionnent pas séparément, ils ont évolué ensemble", a déclaré Fiebelkorn. Par conséquent, les régions responsables de la motilité, non seulement contribuent à façonner les paramètres de sortie (comportement animal); ils aident également à façonner et à saisir. Les découvertes de Halassa fournissent des preuves supplémentaires d'un tel rôle proactif.

"La perception est bonne pour l'action, parce que nous devons d'une manière ou d'une autre imaginer le monde pour y agir", a déclaré Helin Slagter , spécialiste des sciences cognitives à l'Université d'Amsterdam. "Et pour la plupart, nous apprenons à percevoir le monde qui nous entoure par l'action." Un grand nombre de connexions internes avec le cortex cérébral suggère qu'en plus de contrôler l'attention, «ces structures sous-corticales jouent un rôle beaucoup plus important dans les fonctions cognitives supérieures que ce que l'on considère souvent».

Et cela, à son tour, peut nous donner des idées sur la conscience, le sujet le plus insaisissable de la recherche en neurobiologie. Comme le montre une étude de Halassa et d'autres, "lorsque nous étudions la corrélation des connexions neuronales et de l'attention, en fait, nous étudions dans une certaine mesure la corrélation des connexions neuronales et de la perception", a déclaré Maunsel. "Cela fait partie d'une histoire plus vaste, tente de comprendre comment fonctionne le cerveau."

Slagter étudie actuellement le rôle des noyaux gris centraux dans le travail de la conscience. «Lorsque nous percevons le monde, nous n'utilisons pas seulement notre corps, nous le ressentons à travers les corps. Et le cerveau construit une représentation du monde afin d'y agir de manière significative », a-t-elle déclaré. «Par conséquent, la perception consciente doit être étroitement liée aux actions», comme l'attention. "La conscience doit être orientée vers l'action."