Publié le 5 novembre 2023 00:50:00. Des chercheurs du MIT ont mis en évidence un mécanisme neuronal fascinant qui permet au cerveau de retrouver sa concentration après une distraction : une activité électrique synchronisée, comparable à une onde rotative, qui « ramène » le cortex sur la bonne voie.
- Une activité neuronale synchronisée, sous forme d’onde rotative, aide le cerveau à se recentrer après une distraction.
- L’intensité de cette rotation est corrélée à la capacité à maintenir l’attention et à la performance dans une tâche.
- Cette activité électrique correspond à une onde physique réelle qui se propage à la surface du cortex cérébral.
Notre capacité à nous concentrer est fragile, facilement perturbée par le moindre élément extérieur. Pourtant, le cerveau possède une aptitude remarquable à se recentrer. Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Picower Institute for Learning and Memory du MIT apporte un éclairage sur les mécanismes qui sous-tendent ce processus de récupération attentionnelle.
Selon Earl K. Miller, professeur au Picower Institute et au Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT, ces ondes rotatives agissent comme des « bergers qui ramènent le cortex vers le bon chemin de calcul ».
« Les ondes rotatives agissent comme des bergers qui ramènent le cortex vers le bon chemin de calcul. »
Earl K. Miller, professeur Picower à l’Institut Picower et au Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT
Les travaux, dirigés par Tamal Batabyal, chercheur postdoctoral à l’Institut Picower, ont été publiés le 3 novembre dans le Journal des neurosciences cognitives. L’étude s’est appuyée sur des expériences menées sur des animaux, confrontés à une tâche de mémoire de travail visuelle ponctuée de distractions.
Pendant que les animaux effectuaient la tâche, les scientifiques ont surveillé l’activité électrique de centaines de neurones situés dans le cortex préfrontal, une zone du cerveau essentielle pour la prise de décision et la pensée complexe. Pour analyser les variations de cette activité neuronale en fonction des conditions (avec ou sans distraction, performance correcte ou erronée), l’équipe a utilisé une méthode mathématique appelée codage de sous-espace. Cette technique permet de visualiser la coordination de l’activité neuronale et de révéler des schémas d’organisation.
« C’est comme des étourneaux qui volent en formation », illustre Miller. Après chaque distraction, les chercheurs ont observé un motif de rotation dans le sous-espace, comme si les « étourneaux » reprenaient leur formation après avoir été dispersés. Cette rotation circulaire, selon Miller, représente la capacité du cerveau à retrouver un état coordonné après une interruption.
L’étude a révélé une corrélation entre l’intensité de cette rotation et la performance dans la tâche. Lorsque la distraction n’entraînait pas d’erreur, l’activité neuronale décrivait un cercle complet, signe d’une récupération totale. En revanche, lorsque la distraction perturbait la performance, le cercle restait incomplet (en moyenne de 30 degrés) et la rotation était plus lente, reflétant une difficulté à se reconcentrer pleinement.
Les chercheurs ont également constaté que la récupération était d’autant plus rapide que l’intervalle entre la distraction et la réponse requise était plus long. Ces données suggèrent que le cerveau a besoin de ce temps pour achever sa rotation dans l’espace mathématique et restaurer sa concentration neuronale et comportementale.
Le codage sous-spatial a mis en évidence un modèle de rotation hautement coordonné au sein des neurones, contribuant à la préservation de l’attention. Il est important de noter que ces rotations n’apparaissaient que lors de distractions, quel que soit leur type, et n’étaient pas observées spontanément.
L’aspect le plus surprenant de cette découverte réside dans le fait que le codage sous-spatial, une représentation mathématique abstraite de l’activité neuronale, correspond à une réalité physique. Les mesures directes de l’activité neuronale ont en effet révélé l’existence d’une onde réelle et progressive tournant à la surface du cortex. La vitesse de cette onde correspondait précisément à celle calculée par le codage sous-espace.
« Il n’y a aucune raison théorique pour qu’une rotation dans cet espace mathématique corresponde directement à une rotation à la surface du cortex », souligne Miller. « Pourtant, c’est le cas. Cela suggère que le cerveau utilise ces ondes progressives pour effectuer des calculs, des calculs analogiques. Le calcul analogique est beaucoup plus économe en énergie que le numérique, et la biologie privilégie les solutions économes en énergie. C’est une façon différente et plus naturelle de concevoir le calcul neuronal. »
Outre Miller et Batabyal, l’étude a été menée par Scott Brincat, Jacob Donoghue, Mikael Lundqvist et Meredith Mahnke. Le financement de ce travail a été assuré par l’Office of Naval Research, le Simons Center for the Social Brain, la Freedom Together Foundation et le Picower Institute for Learning and Memory.
