CODAGE PRÉDICTIF : Comment le cerveau sait à quoi il peut s’attendre

Ces scientifiques du National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS/NIH) viennent de découvrir comment un ensemble d'ondes cérébrales à haute fréquence peut nous aider à prédire nos attentes vis-à-vis de notre environnement, et à savoir quand quelque chose est différent en regard d’expériences déjà vécues et de souvenirs. Leurs travaux présentés dans la revue Nature Communications, montre que le cerveau rejoue les schémas d'activité neuronale observés lors des premières expériences pour identifier « ce qui cloche » mais est également capable ensuite de corriger ces données.

L’exemple donné est celui d’un tableau que l'on remarque légèrement incliné. Comment le cerveau « fait-il » la différence ? Pourquoi s'attendait-il à le voir mieux aligné ? Cette étude menée auprès de patients atteints d'épilepsie, identifie un ensemble d'ondes cérébrales à haute fréquence qui nous aide à repérer ces types de différences entre le passé et le présent.

Chaque expérience stockée dans la mémoire contribue à définir nos prédictions et nos attentes

L’auteur principal, le Dr Kareem Zaghloul, chercheur au NINDS montre avec son équipe que le cerveau utilise certains modèles d'activité neuronale pour comparer nos attentes avec le présent.

Une théorie appelée codage prédictif peut être appliquée à la façon dont notre cerveau se souvient des expériences passées, appelées souvenirs épisodiques. Le codage prédictif permet au cerveau d’optimiser l'activité neuronale pour traiter l'information. En d'autres termes, la théorie prévoit que le cerveau utilise plus d'activité neuronale pour traiter de nouvelles informations que pour des données qui nous sont déjà familières. Des années de recherche ont montré que c'est ainsi que nous apprenons, au fil du temps,

à quoi nous attendre et à quoi ressemble notre environnement, comme l'herbe verte,

ou les bruits du quotidien, par exemple.

La recherche est menée auprès de 14 patients souffrant de types d'épilepsie résistante aux médicaments et porteurs d’électrodes dans le cadre d'un essai du NIH Clinical Center visant à diagnostiquer et traiter leurs crises. Les participants ont été invités à mémoriser une série de 4 scènes présentées sur un écran d'ordinateur. Quelques secondes plus tard, ils ont été invités à visionner une nouvelle série d'images et on leur a demandé s'ils avaient reconnu la scène ou remarqué quelque chose de différent. Certaines images étaient les mêmes qu'avant tandis que d'autres avaient été légèrement modifiées. L’expérience montre que :

• en moyenne, les patients reconnaissent 88% des scènes identiques, 68% des scènes modifiées par suppression d’un objet et 65% des scènes modifiées par ajout d’un objet ou d’un détail ;
• dans chaque cas, le délai nécessaire pour percevoir la différence a été estimé à environ 2,5 s ;
• une analyse plus approfondie d'un sous-ensemble de patients montre que ces participants réussissent à localiser 82% des ajouts et 70% des suppressions ;
• leurs yeux se fixent souvent (83%) sur les ajouts mais à peine (34%) sur les zones de la scène où quelque chose a été enlevé ;
• Il suffit donc d'un court instant, non seulement pour se souvenir d'une nouvelle expérience, mais aussi pour utiliser les souvenirs de cette expérience pour définir « à quoi il faut s’attendre ».
• Des différences dans l'activité des ondes cérébrales sont constatées, entre les moments où les patients se souviennent avec succès de scènes déjà vécues et les moments où ils repèrent des changements dans une scène.
• dans les deux situations, l'apparition d'une scène sur l'écran de l'ordinateur déclenche une augmentation de la puissance des ondes à haute fréquence dans le cortex occipital latéral, un centre de traitement visuel situé à l'arrière du cerveau ;
• cette activation gagne ensuite l’avant du cerveau pour quelques millisecondes plus tard, atteindre un centre de mémoire appelé le lobe temporal médial ;
• dans les deux situations, le cerveau des patients rejoue les schémas d'activité neuronale observés lors de la première observation ou expérience des scènes ;
• l’activation cérébrale est plus forte lorsque les patients reconnaissent un changement ou une différence ; dans ce cas également, une seconde onde de fréquence inférieure se développe de manière synchrone à travers le cortex occipital latéral et le lobe temporal médial.

Un message d’erreur : nos attentes en matière d'expériences visuelles sont ainsi contrôlées par une boucle de rétroaction entre le cortex visuel et le lobe temporal médial. Les ondes à haute fréquence semblent véhiculer un message d'erreur lorsque nous voyons quelque chose qui ne correspond pas à nos attentes, tandis que les ondes de plus basse fréquence peuvent mettre à jour nos souvenirs.

Ces travaux permettent de mieux comprendre les processus par lesquels comment le cerveau dépeint la réalité dans des conditions saines mais aussi pathologiques.

Source: Nature Communications 27 November 2020 DOI: 10.1038/s41467-020-19828-0 Feedforward prediction error signals during episodic memory retrieval

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Équipe de rédaction SantélogDéc 26, 2020Rédaction Santé log

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