Comment le cerveau apprend à tirer des conclusions

résumé: Les chercheurs ont découvert comment le cerveau traite le raisonnement inférentiel en enregistrant l’activité des neurones des individus au fur et à mesure qu’ils apprennent par essais et erreurs. L’étude a révélé que certaines régions du cerveau, en particulier l’hippocampe, créent des représentations neuronales géométriques lorsque les personnes réussissent à déduire de nouvelles règles à partir de connaissances antérieures.

Ces résultats donnent un aperçu de la manière dont les connaissances conceptuelles sont codées dans le cerveau et pourraient éclairer les futurs traitements des troubles neuropsychiatriques. La recherche a également montré que des modèles neuronaux similaires se forment, que l’apprentissage se fasse par l’expérience ou par l’instruction verbale.

Faits marquants :

• L’hippocampe est connu pour être responsable de la mémoire spatiale et code les cartes cognitives pour le raisonnement logique.
• L’activité neuronale a été visualisée sous forme de formes géométriques de grande dimension lors d’une réflexion réussie.
• L’instruction verbale et l’apprentissage par essais et erreurs produisent des représentations neuronales similaires.

source: Université de Colombie

Il faut de l’intelligence pour déduire comment deux choses dans le monde sont liées l’une à l’autre, qu’il s’agisse de la façon dont le mauvais temps est lié aux retards dans les déplacements ou de la manière dont les conditions environnementales conduisent à l’évolution des espèces.

Une nouvelle étude, basée sur des enregistrements dans le cerveau humain, a généré une énorme quantité de données que les chercheurs ont maintenant utilisées pour révéler, avec plus de clarté que jamais, les incarnations neuronales de la pensée inférentielle.

« Nous commençons à comprendre comment le cerveau apprend et comment nous extrayons des connaissances de ce que nous vivons », a déclaré le Dr Uli Roteshauser, l’un des auteurs de l’étude et professeur de neurologie, de neurochirurgie et de sciences biomédicales au centre médical Cedars-Sinai.

L’étude, menée dans le cadre d’un consortium multi-institutionnel financé par l’initiative Brain Research des National Institutes of Health à travers l’initiative Advancing Innovative Neurotechnologies ®, ou BRAIN ® Initiative, a été publiée en ligne aujourd’hui dans nature.

En utilisant des enregistrements électriques de plus de 3 000 neurones chez 17 volontaires épileptiques soumis à une surveillance invasive à l’hôpital pour identifier les sources de leurs crises, les chercheurs ont collecté « un ensemble de données unique qui nous permet pour la première fois d’observer comment les cellules cérébrales représentent un processus d’apprentissage essentiel au raisonnement inférentiel », a déclaré Stefano Fossi, Ph.D., chercheur principal au Zuckerman Institute for Mind and Behaviour de l’Université de Columbia et autre co-auteur de l’étude.

Pendant que les chercheurs enregistraient à partir des neurones, les scientifiques ont mis les participants au défi avec une simple tâche d’inférence. Dans cette tâche, les participants ont découvert par essais et erreurs les associations correctes qui les récompensaient avec de l’argent entre des images, telles que des images d’une voiture ou un fruit, et une pression sur un bouton gauche ou droit.

Une fois que les participants ont appris ces associations pour un ensemble d’images, les chercheurs ont basculé entre les boutons représentant l’association correcte pour chaque image.

Au départ, les volontaires ont fait des choix incorrects, sans se rendre compte que les associations qu’ils avaient apprises auparavant avaient changé. Cependant, ces erreurs ont permis aux volontaires de conclure rapidement qu’une nouvelle règle relative aux boutons image était devenue efficace, et ils ont pu en déduire que toutes les nouvelles règles relatives aux boutons image avaient changé, même celles qu’ils n’avaient pas encore expérimentées. Les scientifiques comparent cette tâche expérimentale aux conclusions de la vie réelle, comme celles que les voyageurs à l’étranger doivent souvent tirer.

« Si vous vivez à New York et à Londres et que vous prenez l’avion pour le Royaume-Uni, vous savez que vous devez regarder à droite lorsque vous voulez traverser la route. Vous êtes passé à un état d’esprit différent qui représente le code de la route. vous avez appris en vivant à Londres », a déclaré le Dr Fauci. Il est également professeur de neurologie au Vagelos College of Physicians and Surgeons de l’Université Columbia et membre du Centre de neurosciences théoriques de l’Université Columbia.

« Même si vous visitez des endroits où vous n’êtes jamais allés auparavant au Royaume-Uni, comme la campagne au Pays de Galles, vous concluez que les nouvelles règles s’y appliquent toujours. Vous devez toujours regarder à droite plutôt qu’à gauche lorsque vous traversez la route », a-t-il ajouté.

« Ce travail démontre la base neuronale de la connaissance conceptuelle, qui est essentielle au raisonnement, au raisonnement, à la planification et même à la régulation des émotions », a déclaré le Dr Daniel Salzman, l’un des auteurs de l’étude. nature Écrit par : John Zuckerman, chercheur principal à l’Institut Zuckerman et professeur de psychiatrie et de neurosciences au Vagelos College of Physicians and Surgeons de l’Université Columbia.

Mais comment ces types de pensée s’expriment-ils physiquement dans l’activité des neurones ? À l’aide d’outils mathématiques que le Dr Fauci a perfectionnés pour combiner les enregistrements de milliers de neurones, les chercheurs ont retransformé l’activité cérébrale des volontaires en représentations géométriques – des formes – bien qu’occupant des milliers de dimensions plutôt que les trois dimensions familières que nous imaginons habituellement.

« Ce sont des formes géométriques de grande dimension que nous ne pouvons pas imaginer ou voir sur un écran d’ordinateur », a déclaré le Dr Fusi. « Mais nous pouvons utiliser des techniques mathématiques pour en visualiser des versions simplifiées en 3D. »

Lorsque les chercheurs ont comparé les schémas d’activité cérébrale entre les cas dans lesquels les participants avaient tiré des conclusions réussies et ceux dans lesquels leurs déductions avaient échoué, des différences marquées sont apparues.

« Dans certains groupes de neurones au cours de l’apprentissage, nous avons observé des transitions de représentations désorganisées vers ces belles structures géométriques associées à la capacité de raisonnement déductif », a déclaré le Dr Fauci.

De plus, les chercheurs ont observé ces structures uniquement dans des enregistrements de l’hippocampe et non dans d’autres régions du cerveau surveillées par les scientifiques, comme l’amygdale et les régions du cortex préfrontal. La découverte est surprenante, ont déclaré les chercheurs, car l’hippocampe a longtemps été considéré comme le lieu où le cerveau incarne les cartes neuronales des espaces physiques.

Les nouvelles découvertes montrent qu’il est également capable de créer des cartes cognitives liées aux fonctions cérébrales telles que le raisonnement et l’apprentissage.

Une autre découverte frappante de la recherche est que les volontaires qui apprennent les règles associatives entre les images et les boutons uniquement par le biais d’instructions verbales, plutôt que par une expérience d’essais et d’erreurs, forment néanmoins les mêmes « représentations neuronales magnifiquement organisées dans l’hippocampe », explique le Dr Rottishauser. dit.

Il s’agit d’une observation importante, a-t-il déclaré, car même si les humains apprennent souvent les uns des autres par le biais d’échanges verbaux, nous savons peu de choses sur la manière dont les informations verbales modifient les représentations neuronales.

« Les instructions verbales nous permettent d’acquérir des connaissances sur des choses que nous n’avons jamais réellement expérimentées auparavant. Nos travaux montrent maintenant que les instructions verbales conduisent à des représentations neuronales organisées très similaires à celles qui résultent de l’apprentissage expérientiel », a ajouté le Dr Rottishauser.

Les chercheurs soulignent qu’aucune de ces découvertes n’aurait été possible sans la coopération et la participation volontaire des patients atteints d’épilepsie pharmacorésistante hospitalisés après une intervention chirurgicale.

Les médecins des patients ont implanté des électrodes pour collecter temporairement des données neurologiques dans le but de déterminer la source des crises d’épilepsie de chaque personne, dans le but ultime d’utiliser ces informations pour un traitement ultérieur chirurgical ou basé sur la neuromodulation.

« Ces personnes nous ont donné une occasion précieuse d’apprendre quelque chose de nouveau sur le fonctionnement de notre cerveau », a déclaré le Dr Roteshauser.

Le Dr Tawfiq Valiant, associé de recherche au Krempel Research Institute et au Département de neurochirurgie de l’Université de Toronto, a contribué à cette étude en recrutant des patients. L’étudiant diplômé Christos Kourilis et le chercheur postdoctoral Juri Minksa, PhD, du centre médical Cedars-Sinai et de Caltech, ont également effectué la plupart de la collecte et de l’analyse des données de l’étude.

« Cette étude fournit de nouvelles informations sur la façon dont notre cerveau nous permet d’apprendre et d’effectuer des tâches avec flexibilité et en réponse à des circonstances et des expériences changeantes », a déclaré le Dr Merav Sabri, directeur de programme de Brain Initiative.

« Ces idées s’appuient sur un ensemble de connaissances qui pourraient un jour nous conduire à des interventions pour traiter les troubles neuropsychiatriques impliquant des déficits de mémoire et de prise de décision. »

A propos de cette actualité de la recherche en neurosciences

auteur: Evan Amato
source: Université de Colombie
communication: Evan Amato – Université de Columbia
image: Image tirée de Neuroscience News

Recherche originale : L’accès est ouvert.
« Des représentations abstraites émergent dans les neurones de l’hippocampe humain au cours du raisonnement« Par Uli Roteshauser et al. nature

un résumé

Des représentations abstraites émergent dans les neurones de l’hippocampe humain au cours du raisonnement

Les humains ont une capacité cognitive étonnante à s’adapter rapidement à des environnements changeants. L’une des principales forces de cette capacité réside dans la capacité à former des représentations abstraites de haut niveau qui tirent parti des régularités du monde pour soutenir la généralisation.

Cependant, on sait peu de choses sur la façon dont ces représentations sont codées dans des groupes de neurones, comment elles émergent au cours de l’apprentissage et comment elles sont liées au comportement.

Ici, nous avons caractérisé l’architecture représentationnelle des populations neuronales (unités uniques) enregistrées dans l’hippocampe, l’amygdale, le cortex préfrontal médial et le cortex temporal ventral de patients neurochirurgicaux effectuant une tâche de raisonnement inférentiel.

Nous avons constaté que seules les représentations neuronales formées dans l’hippocampe codent simultanément de nombreuses variables de tâches dans un format abstrait ou non synaptique.

Cette architecture représentationnelle est observée uniquement une fois que les patients ont appris à faire des inférences et se compose d’importantes variables latentes directement observables et détectables.

Apprendre à raisonner par essais et erreurs ou par des instructions verbales a conduit à la formation de représentations hippocampiques ayant des propriétés géométriques similaires.

La relation observée entre la forme représentationnelle et le comportement d’inférence suggère que la géométrie représentationnelle abstraite et discrète est importante pour la cognition complexe.