Le pouvoir de la sélectivité mixte: comprendre les fonctions cérébrales et la cognition

Chaque jour, notre cerveau s'efforce d'optimiser un compromis: face à la multitude d'événements qui se produisent autour de nous, et simultanément à la multitude de pulsions et de souvenirs internes, nos pensées doivent être flexibles mais suffisamment concentrées pour guider tout ce que nous devons faire. Dans un nouvel article publié dans la revue Neuron, une équipe de neuroscientifiques décrit comment le cerveau parvient à intégrer toutes les informations pertinentes sans se laisser submerger par ce qui ne compte pas.

Les auteurs soutiennent que cette flexibilité découle d'une propriété clé observée chez de nombreux neurones: la « sélectivité mixte ». Alors que de nombreux neuroscientifiques pensaient auparavant que chaque cellule n'avait qu'une seule fonction spécialisée, des données plus récentes ont montré que de nombreux neurones peuvent participer à différents ensembles de calcul fonctionnant en parallèle. Autrement dit, lorsqu'un lapin envisage de grignoter de la laitue dans le jardin, un seul neurone pourrait être impliqué non seulement dans l'évaluation de sa faim, mais aussi dans l'audition d'un faucon au-dessus de sa tête ou dans l'odorat d'un coyote dans les arbres, et dans l'estimation de la distance de la laitue.

Le cerveau n'est pas multitâche, explique Earl K. Miller, co-auteur de l'article et professeur à l'Institut Picower pour l'étude de l'apprentissage et de la mémoire du MIT, et l'un des pionniers de la sélectivité mixte, mais de nombreuses cellules ont la capacité d'effectuer plusieurs calculs (essentiellement des « pensées »). Dans ce nouvel article, les auteurs décrivent les mécanismes spécifiques utilisés par le cerveau pour recruter des neurones pour différents calculs et garantir que ces neurones représentent le nombre adéquat de dimensions d'une tâche complexe.

Ces neurones remplissent de nombreuses fonctions. Grâce à la sélectivité mixte, on peut obtenir un espace de représentation aussi complexe que nécessaire, sans plus. C'est là que réside la flexibilité des fonctions cognitives.

Earl K. Miller, professeur, Institut Picower pour l'étude de l'apprentissage et de la mémoire, Massachusetts Institute of Technology

Le co-auteur Kay Tai, professeur à l'Institut Salk et à l'Université de Californie à San Diego, a déclaré que la sélectivité mixte parmi les neurones, en particulier dans le cortex préfrontal médian, est essentielle pour permettre de nombreuses capacités mentales.

« Le MPFC est comme un murmure qui représente une quantité incroyable d'informations à travers des ensembles extrêmement flexibles et dynamiques », a déclaré Tai. « La sélectivité mixte est la propriété qui nous confère flexibilité, capacités cognitives et créativité. C'est le secret pour maximiser la puissance de calcul, qui est la base même de l'intelligence. »

Origine de l'idée

L'idée de sélectivité mixte a vu le jour en 2000, lorsque Miller et son collègue John Duncan ont défendu un résultat surprenant issu d'une étude sur les fonctions cognitives menée dans son laboratoire. Lorsque des animaux classaient des images en catégories, environ 30 % des neurones du cortex préfrontal semblaient être recrutés. Les sceptiques, convaincus que chaque neurone avait une fonction spécifique, se moquaient de l'idée que le cerveau puisse consacrer autant de cellules à une seule tâche. Miller et Duncan ont répondu que les cellules avaient peut-être la flexibilité de participer à de nombreux calculs. Leur capacité à intervenir dans un seul groupe cérébral, comme c'était le cas, n'excluait pas leur capacité à en intervenir dans de nombreux autres.

Mais quel est l'intérêt de la sélectivité mixte? En 2013, Miller s'est associé à deux coauteurs de la nouvelle étude, Mattia Rigotti d'IBM Research et Stefano Fusi de l'Université Columbia, pour démontrer comment la sélectivité mixte confère au cerveau une puissante flexibilité de calcul. En résumé, un ensemble de neurones à sélectivité mixte peut traiter beaucoup plus de dimensions d'information sur une tâche qu'une population de neurones à fonctions fixes.

« Depuis nos travaux initiaux, nous avons progressé dans la compréhension de la théorie de la sélectivité mixte à travers le prisme des concepts classiques de l'apprentissage automatique », a déclaré Rigotti. « En revanche, des questions importantes pour les expérimentateurs concernant les mécanismes qui mettent en œuvre ce phénomène au niveau cellulaire ont été relativement peu étudiées. Cette collaboration et cette nouvelle étude visent à combler cette lacune. »

Dans cette nouvelle étude, les auteurs imaginent une souris décidant de manger ou non une baie. Son odeur pourrait être délicieuse (c'est une première dimension). Elle pourrait être toxique (c'en est une autre). Une ou deux autres dimensions du problème pourraient prendre la forme d'un signal social. Si une souris sent une baie dans l'haleine d'une autre souris, cette baie est probablement comestible (selon l'état de santé apparent de cette dernière). Un ensemble neuronal à sélectivité mixte pourrait intégrer tout cela.

Attirer les neurones

Bien que la sélectivité mixte soit étayée par de nombreuses preuves – elle a été observée dans tout le cortex et d'autres régions cérébrales comme l'hippocampe et l'amygdale – des questions restent ouvertes. Par exemple, comment les neurones sont-ils recrutés pour des tâches et comment des neurones aussi ouverts d'esprit restent-ils concentrés uniquement sur ce qui est véritablement essentiel à la mission?

Dans la nouvelle étude, des chercheurs, dont Marcus Benna de l'UC San Diego et Felix Taschbach du Salk Institute, identifient les formes de sélectivité mixte observées par les chercheurs et soutiennent que lorsque les oscillations (également appelées « ondes cérébrales ») et les neuromodulateurs (des substances chimiques comme la sérotonine ou la dopamine qui influencent la fonction neuronale) recrutent des neurones dans des ensembles informatiques, ils les aident également à « filtrer » ce qui est important à cette fin.

Bien sûr, certains neurones se spécialisent dans une entrée particulière, mais les auteurs soulignent qu'ils constituent l'exception et non la règle. Ces cellules, selon les auteurs, possèdent une « sélectivité pure ». Elles ne se soucient que de la présence de laitue chez le lapin. Certains neurones présentent une « sélectivité mixte linéaire », ce qui signifie que leur réponse dépend de manière prévisible de la somme de plusieurs entrées (le lapin voit de la laitue et a faim). Les neurones offrant la plus grande flexibilité de mesure sont ceux dotés d'une « sélectivité mixte non linéaire », qui peuvent prendre en compte plusieurs variables indépendantes sans avoir à les additionner toutes. Au lieu de cela, ils peuvent prendre en compte un ensemble complet de conditions indépendantes (par exemple, il y a de la laitue, j'ai faim, je n'entends pas les faucons, je ne sens pas les coyotes, mais la laitue est loin, et je vois une clôture assez solide).

Alors, qu'est-ce qui incite les neurones à se concentrer sur des facteurs significatifs, quel que soit leur nombre? L'un de ces mécanismes est celui des oscillations, qui se produisent dans le cerveau lorsque de nombreux neurones maintiennent leur activité électrique au même rythme. Cette activité coordonnée permet le partage d'informations, les accordant ainsi ensemble, comme un groupe de voitures diffusant toutes la même station de radio (par exemple, l'émission d'un faucon survolant le ciel). Les auteurs mettent également en évidence un autre mécanisme: les neuromodulateurs. Ce sont des substances chimiques qui, lorsqu'elles atteignent des récepteurs à l'intérieur des cellules, peuvent également influencer leur activité. Par exemple, une augmentation d'acétylcholine peut également ajuster les neurones dotés des récepteurs appropriés à une activité ou une information particulière (par exemple, la sensation de faim).

« Ces deux mécanismes fonctionnent probablement ensemble pour former dynamiquement des réseaux fonctionnels », écrivent les auteurs.

Comprendre la sélectivité mixte, poursuivent-ils, est essentiel pour comprendre la cognition.

« La sélectivité mixte est omniprésente », concluent-ils. « Présente chez toutes les espèces, elle remplit des fonctions allant de la cognition de haut niveau aux processus sensorimoteurs « automatiques » tels que la reconnaissance d'objets. La généralisation de la sélectivité mixte souligne son rôle fondamental pour doter le cerveau de la puissance de traitement évolutive nécessaire à la pensée et à l'action complexes. »

Les détails de l'étude sont disponibles sur la page du journal CELL