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

Chaque jour, notre cerveau s'efforce d'optimiser un compromis : avec de nombreux événements qui se produisent autour de nous, et en même temps de nombreux pulsions et souvenirs internes, nos pensées doivent être flexibles mais suffisamment concentrées pour guider tout ce que nous devons faire. Dans un nouvel article paru dans la revue Neuron, une équipe de neuroscientifiques décrit comment le cerveau acquiert la capacité cognitive d'intégrer toutes les informations pertinentes sans se laisser submerger par ce qui ne l'est pas.

Les auteurs soutiennent que la flexibilité découle d'une propriété clé observée dans de nombreux neurones : la « sélectivité mixte ». Alors que de nombreux neuroscientifiques pensaient auparavant que chaque cellule n’avait qu’une seule fonction spécialisée, des preuves plus récentes ont montré que de nombreux neurones peuvent participer à différents ensembles informatiques travaillant en parallèle. En d’autres termes, lorsqu’un lapin envisage de grignoter de la laitue dans le jardin, un neurone peut être impliqué non seulement pour évaluer sa faim, mais aussi pour entendre un faucon au-dessus de sa tête ou sentir un coyote dans les arbres et déterminer à quelle distance se trouve la laitue.. p>

Le cerveau n'est pas multitâche, a déclaré le co-auteur Earl K. Miller, professeur à l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire au MIT et l'un des pionniers de l'idée de sélectivité mixte, mais de nombreuses cellules ont la capacité s'engager dans plusieurs processus informatiques (essentiellement, des « pensées »). Dans le nouvel article, les auteurs décrivent des mécanismes spécifiques que le cerveau utilise pour recruter des neurones afin d'effectuer divers calculs et pour garantir que ces neurones représentent le nombre correct de dimensions d'un problème complexe.

Ces neurones remplissent de nombreuses fonctions. Avec la sélectivité mixte, il est possible d'avoir un espace représentatif aussi complexe que nécessaire et pas plus. C'est là que réside la flexibilité de la fonction cognitive."

Earl K. Miller, professeur au Picower Institute for the Study of Learning and Memory du Massachusetts Institute of Technology

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

"Le MPFC est comme un murmure qui représente tant d'informations à travers des ensembles hautement flexibles et dynamiques", a déclaré Tai. "La sélectivité mixte est la propriété qui nous confère notre flexibilité, nos capacités cognitives et notre créativité. C'est le secret pour maximiser la puissance de traitement, qui est essentiellement la base de l'intelligence."

Origine de l'idée

L'idée de sélectivité mixte est née en 2000, lorsque Miller et son collègue John Duncan ont défendu un résultat surprenant issu de recherches sur la fonction cognitive dans le laboratoire de Miller. Lorsque les animaux ont classé les images par catégories, environ 30 pour cent des neurones du cortex préfrontal du cerveau semblaient être activés. Les sceptiques qui croyaient que chaque neurone avait une fonction dédiée se moquaient de l’idée que le cerveau puisse consacrer autant de cellules à une seule tâche. La réponse de Miller et Duncan était que les cellules avaient peut-être la flexibilité de participer à de nombreux calculs. La capacité de servir dans un groupe cérébral, pour ainsi dire, n'empêchait pas leur capacité à servir de nombreux autres.

Mais quels avantages apporte la sélectivité mixte ? En 2013, Miller s'est associé à deux co-auteurs d'un nouvel article, Mattia Rigotti d'IBM Research et Stefano Fusi de l'Université de Columbia, pour montrer comment la sélectivité mixte confère au cerveau une puissante flexibilité informatique. Essentiellement, un ensemble de neurones à sélectivité mixte peut accueillir beaucoup plus de dimensions d'informations sur les tâches qu'une population de neurones aux fonctions invariantes.

"Depuis nos premiers travaux, nous avons progressé dans la compréhension de la théorie de la sélectivité mixte à travers le prisme des idées classiques de l'apprentissage automatique", a déclaré Rigotti. "D'un autre côté, les questions importantes pour les expérimentateurs sur les mécanismes qui font cela au niveau cellulaire ont été relativement peu explorées. Cette collaboration et ce nouvel article visaient à combler cette lacune."

Dans le nouvel article, les auteurs présentent une souris qui décide de manger ou non une baie. Elle peut sentir délicieux (c'est une dimension). Cela peut être toxique (c'est autre chose). Une ou deux autres dimensions du problème peuvent surgir sous la forme d’un signal social. Si une souris sent une baie dans l'haleine d'une autre souris, alors la baie est probablement comestible (en fonction de l'état de santé apparent de l'autre souris). Un ensemble neuronal à sélectivité mixte pourra 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 dans d'autres régions du cerveau telles que l'hippocampe et l'amygdale), des questions restent ouvertes. Par exemple, comment les neurones sont-ils recrutés pour des tâches, et comment des neurones si « larges d'esprit » restent-ils à l'écoute uniquement de ce qui est vraiment important pour la mission ?

Dans une 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 affirment que lorsque les oscillations (également appelées « ondes cérébrales ») et les neuromodulateurs ( des substances chimiques telles que la sérotonine ou la dopamine qui influencent la fonction neuronale) attirent les neurones dans des ensembles informatiques, elles les aident également à « filtrer » ce qui est important à cet effet.

Bien sûr, certains neurones sont spécialisés pour une entrée particulière, mais les auteurs notent qu'ils constituent l'exception et non la règle. Les auteurs affirment que ces cellules ont une « sélectivité pure ». Ils ne se soucient que si le lapin voit la laitue. Certains neurones présentent une « sélectivité mixte linéaire », ce qui signifie que leur réponse dépend de manière prévisible de la somme de plusieurs entrées (un lapin voit de la laitue et a faim). Les neurones offrant le plus de flexibilité de mesure sont ceux dotés d’une « sélectivité mixte non linéaire », qui peuvent prendre en compte plusieurs variables indépendantes sans qu’il soit nécessaire de les additionner. Au lieu de cela, ils peuvent prendre en compte tout un ensemble de conditions indépendantes (par exemple, il y a de la laitue, j'ai faim, je n'entends pas de faucons, je ne sens pas l'odeur des coyotes, mais la laitue est loin et je peux voir une clôture assez solide).

Alors, qu'est-ce qui incite les neurones à se concentrer sur des facteurs importants, quel que soit leur nombre ? L’un de ces mécanismes est l’oscillation, qui se produit dans le cerveau lorsque de nombreux neurones maintiennent leur activité électrique au même rythme. Cette activité coordonnée permet de partager des informations, essentiellement en les syntonisant comme un groupe de voitures diffusant toutes la même station de radio (peut-être la diffusion d'un faucon tournant au-dessus de votre tête). Un autre mécanisme mis en évidence par les auteurs est celui des neuromodulateurs. Ce sont des produits chimiques qui, lorsqu’ils atteignent les récepteurs à l’intérieur des cellules, peuvent également affecter leur activité. Par exemple, une poussée d'acétylcholine peut de la même manière amorcer les neurones avec des récepteurs correspondants pour une activité ou une information spécifique (peut-être 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 à la compréhension de la cognition.

« La sélectivité mixte est omniprésente », concluent-ils. "Il est présent dans toutes les espèces et remplit diverses fonctions allant de la cognition de haut niveau aux processus sensorimoteurs" automatiques "tels que la reconnaissance d'objets. L'apparition généralisée de la sélectivité mixte met en évidence son rôle fondamental en fournissant au cerveau la puissance de traitement évolutive nécessaire pour des tâches complexes. Pensées et actions." p>

En savoir plus sur l'étude dans le magazine CELL