Comment le cerveau dit « oops ! —


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  • Des chercheurs du Center for Neural Science and Medicine et du Département de neurochirurgie de Cedars-Sinai ont découvert comment les signaux d’un groupe de neurones dans le lobe frontal du cerveau donnent simultanément aux humains la flexibilité d’apprendre de nouvelles tâches – et la concentration nécessaire pour développer des compétences hautement spécifiques. Leurs recherches, publiées aujourd’hui dans la revue à comité de lecture Science, fournit une compréhension fondamentale de la surveillance des performances, une fonction exécutive utilisée pour gérer la vie quotidienne.

    La principale découverte de l’étude est que le cerveau utilise le même groupe de neurones pour la rétroaction sur les performances dans de nombreuses situations différentes, qu’une personne tente une nouvelle tâche pour la première fois ou travaille à perfectionner une compétence spécifique.

    « Une partie de la magie du cerveau humain est qu’il est si flexible », a déclaré Ueli Rutishauser, PhD, professeur de neurochirurgie, de neurologie et de sciences biomédicales, directeur du Center for Neural Science and Medicine, président du Conseil des gouverneurs en neurosciences et auteur principal de l’étude. « Nous avons conçu notre étude pour déchiffrer comment le cerveau peut généraliser et se spécialiser en même temps, deux éléments essentiels pour nous aider à poursuivre un objectif. »

    La surveillance des performances est un signal interne, une sorte de rétroaction auto-générée, qui permet à une personne de savoir qu’elle a fait une erreur. Un exemple est la personne qui se rend compte qu’elle est passée devant une intersection où elle aurait dû tourner. Un autre exemple est la personne qui dit quelque chose dans une conversation et reconnaît dès que les mots sortent de sa bouche que ce qu’elle vient de dire était inapproprié.

    « Ce moment ‘Oh, tire’, ce ‘Oups !’ moment, la surveillance des performances entre en jeu », a déclaré Zhongzheng Fu, PhD, chercheur postdoctoral au laboratoire Rutishauser de Cedars-Sinai et premier auteur de l’étude.

    Ces signaux aident à améliorer les performances lors de tentatives futures en transmettant des informations aux zones du cerveau qui régulent les émotions, la mémoire, la planification et la résolution de problèmes. La surveillance des performances aide également le cerveau à ajuster sa concentration en signalant le nombre de conflits ou de difficultés rencontrés au cours de la tâche.

    « Alors un ‘Oups !’ moment pourrait inciter quelqu’un à faire plus attention la prochaine fois qu’il discutera avec un ami ou qu’il prévoira de s’arrêter au magasin en rentrant du travail », a déclaré Fu.

    Pour voir la surveillance des performances en action, les chercheurs ont enregistré l’activité de neurones individuels dans le cortex frontal médial des participants à l’étude. Les participants étaient des patients épileptiques qui, dans le cadre de leur traitement, avaient des électrodes implantées dans leur cerveau pour aider à localiser le foyer de leurs crises. Plus précisément, ces patients avaient des électrodes implantées dans le cortex frontal médial, une région du cerveau connue pour jouer un rôle central dans la surveillance des performances.

    L’équipe a demandé aux participants d’effectuer deux tests cognitifs couramment utilisés.

    Dans la tâche de Stroop, qui oppose la lecture à la dénomination des couleurs, les participants ont vu le nom écrit d’une couleur, tel que « rouge », imprimé à l’encre d’une couleur différente, telle que le vert, et ont été invités à nommer la couleur de l’encre plutôt que le mots écrits.

    « Cela crée des conflits dans le cerveau », a déclaré Rutishauser. « Vous avez des décennies de formation en lecture, mais maintenant votre objectif est de supprimer cette habitude de lire et de dire la couleur de l’encre dans laquelle le mot est écrit à la place. »

    Dans l’autre tâche, la tâche d’interférence multi-sources (MSIT), qui consiste à reconnaître les chiffres, les participants ont vu trois chiffres numériques à l’écran, deux identiques et l’autre unique – par exemple, 1-2-2. La tâche du sujet était d’appuyer sur le bouton associé au numéro unique – dans ce cas, « 1 » – résistant à leur tendance à appuyer sur « 2 » parce que ce numéro apparaît deux fois.

    « Ces deux tâches constituent un test solide de la manière dont l’autosurveillance est engagée dans différents scénarios impliquant différents domaines cognitifs », a déclaré Fu.

    Une réponse structurée

    Pendant que les sujets exécutaient ces tâches, les enquêteurs ont noté deux types différents de neurones au travail. Les neurones « d’erreur » se sont déclenchés fortement après qu’une erreur a été commise, tandis que les neurones « de conflit » se sont déclenchés en réponse à la difficulté de la tâche que le sujet venait d’accomplir.

    « Lorsque nous avons observé l’activité des neurones dans cette zone du cerveau, nous avons été surpris que la plupart d’entre eux ne deviennent actifs qu’après qu’une décision ou une action ait été accomplie. Cela indique que cette zone du cerveau joue un rôle dans l’évaluation des décisions après coup, plutôt que en les faisant. »

    Il existe deux types de surveillance des performances : domaine général et domaine spécifique. La surveillance des performances générales du domaine nous indique quelque chose s’est mal passé et peut détecter les erreurs dans n’importe quel type de tâche – que quelqu’un conduise une voiture, navigue dans une situation sociale ou joue à Wordle pour la première fois. Cela leur permet d’effectuer de nouvelles tâches avec peu d’instructions, ce que les machines ne peuvent pas faire.

    « Les machines peuvent être formées pour faire une chose très bien », a déclaré Fu. « Vous pouvez construire un robot pour retourner des hamburgers, mais il ne peut pas adapter ces compétences à la friture de boulettes. Les humains, grâce à la surveillance des performances générales du domaine, le peuvent. »

    La surveillance des performances spécifiques au domaine indique à la personne qui a commis l’erreur quelle s’est mal passé, en détectant des erreurs spécifiques – qu’il a raté un virage, dit quelque chose d’inapproprié ou choisi la mauvaise lettre dans un puzzle. C’est une façon pour les gens de perfectionner leurs compétences individuelles.

    Étonnamment, les neurones signalant des informations générales et spécifiques au domaine étaient entremêlés dans le cortex frontal médial.

    « Nous avions l’habitude de penser qu’il y avait des parties du cerveau dédiées uniquement à la surveillance des performances générales du domaine et d’autres uniquement à un domaine spécifique », a déclaré Rutishauser. « Notre étude montre maintenant que ce n’est pas le cas. Nous avons appris que le même groupe de neurones peut effectuer à la fois une surveillance des performances générales et spécifiques à un domaine. Lorsque vous écoutez ces neurones, vous pouvez lire les deux types d’informations simultanément. . »

    Pour comprendre comment ces signaux sont interprétés par d’autres zones du cerveau, il est utile de considérer les neurones comme des musiciens dans un orchestre, a déclaré Rutishauser.

    « S’ils jouent tous au hasard, les auditeurs – dans ce cas, les régions du cerveau qui reçoivent les signaux – n’entendent qu’un ensemble de notes brouillées », a déclaré Rutishauser. « Mais s’ils jouent une composition arrangée, il est possible d’entendre clairement les différentes mélodies et harmonies même avec autant d’instruments – ou de neurones de surveillance des performances – jouant tous en même temps. »

    Trop ou trop peu de cette signalisation, cependant, peut causer des problèmes, a déclaré Rutishauser.

    La surveillance excessive des performances peut se manifester par un trouble obsessionnel-compulsif, amenant une personne à rechercher de manière obsessionnelle des erreurs qui n’existent pas. À l’autre extrême se trouve la schizophrénie, où la surveillance des performances peut être sous-active à un degré tel qu’une personne ne perçoit pas les erreurs ou le caractère inapproprié de ses paroles ou de ses actions.

    « Nous pensons que les connaissances mécanistes que nous avons acquises seront essentielles pour perfectionner les traitements de ces troubles psychiatriques dévastateurs », a déclaré Rutishauser.

    L’équipe de recherche comprenait également Jeffrey Chung, MD, directeur du programme Cedars-Sinai Epilepsy; professeure adjointe de neurologie Chrystal Reed, MD, PhD; Adam Mamelak, MD, professeur de neurochirurgie et directeur du programme de neurochirurgie fonctionnelle ; Ralph Adolphs, PhD, professeur de psychologie, de neurosciences et de biologie au California Institute of Technology ; et l’associée de recherche Danielle Beam.

    L’étude a été soutenue par le numéro de subvention U01NS117839 de l’Initiative BRAIN, les numéros R01MH110831 et P50MH094258 du National Institute of Mental Health Grants et le numéro BCS-1554105 de la National Science Foundation Grant.

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