Pour le cerveau, un outil n’est qu’un outil, pas une extension de la main

Le pasteur et abolitionniste américain du XIXe siècle Henry Ward Beecher a écrit: «Un outil n’est que le prolongement de la main d’un homme, et une machine n’est qu’un outil complexe.» Ces mots présageaient, de plus d’un siècle, une ligne de recherche scientifique sur «l’incarnation»: comment la richesse des humains en intrants sensoriels – y compris le toucher et la perception visuelle impliqués dans la manipulation d’un outil – modifient le sens de soi physique. La réalisation implique que lorsque l’on tient un tournevis, par exemple, le cerveau transforme sa représentation d’une «main» jusqu’à ce que cette représentation atteigne tout le chemin jusqu’à la pointe de l’outil.

Mais est-ce vraiment ce qui se passe? Pourquoi le cerveau abandonnerait-il en quelque sorte, même temporairement, sa conception d’une main adroite pour celle d’un instrument contondant? Ces questions ont inspiré Tamar Makin, neuroscientifique à l’University College London. Dans une recherche récemment publiée dans PLOS Biology et le Journal of Neuroscience, elle a examiné si les personnes portant des prothèses – ou les nettoyeurs de rue de Londres brandissant des poteaux métalliques pour ramasser les déchets – fusionnaient en fait leurs identités avec de tels outils. Jusqu’à présent, les résultats des études de Makin contredisent les intuitions de Beecher sur l’incarnation de l’outil manuel, ainsi que certaines recherches modernes qui avaient suggéré d’utiliser un outil altère les cartes corporelles intériorisées.

Le travail de Makin s’est concentré sur le développement d’une meilleure compréhension de la façon dont le cerveau peut le mieux accueillir les membres artificiels qui fonctionnent de la manière la plus efficace possible – d’où son intérêt à déterminer si l’incarnation est une chose réelle. Et elle aimerait à terme aller au-delà du remplacement des parties du corps et essayer d’en améliorer celles qui sont encore intactes. Son laboratoire collabore avec le concepteur de prothèses Dani Clode pour étudier comment les gens apprennent à s’adapter à un «troisième pouce» – un doigt robotique que les utilisateurs attachent à leur main et contrôlent à distance avec leurs gros orteils. Un article publié cette semaine dans Robotique scientifique montre que les gens peuvent apprendre à utiliser le pouce pour augmenter la fonction de leur main – mais cela soulève également la question de savoir si de tels changements «plastiques» dans le cerveau pourraient altérer, pour le meilleur ou pour le pire, la représentation neuronale d’une personne de sa main biologique. Makin et son étudiante diplômée Hunter Schone, co-auteur principal de l’étude sur les ramasseurs de litière de Londres, se sont entretenues avec Américain scientifique à propos de ce qu’ils ont fait récemment – alors même que la pandémie s’est emparée du monde.

[An edited transcript of the interview follows.]

Comment avez-vous commencé ce travail?

HUNTER CLEAN: Nous avions un doctorat. étudiant dans ce laboratoire nommé Roni Maimon-Mor. Elle s’est intéressée à cette question de savoir si les utilisateurs de prothèses représentent leurs membres prothétiques comme s’ils étaient une partie du corps ou plutôt comme un outil. Tamar et Roni ont donc mené cette étude. Ils ont trouvé des résultats vraiment intéressants qui montraient essentiellement que plus un utilisateur utilisait une prothèse, plus c’était ne pas représenté dans le cerveau comme une main ou un outil.

TAMAR PLUS: C’était un cas de test parfait car quelqu’un pouvait utiliser une prothèse pendant 14 à 16 heures par jour. Une prothèse est un outil conçu pour remplacer la fonction de la main. Il y a une perspective très dominante – et cela va de la philosophie à l’ingénierie, à la psychologie et aussi à la culture populaire – que si nous utilisons des outils en tant qu’experts, alors la meilleure façon pour notre cerveau de les représenter est comme s’ils faisaient partie de notre corps. .

Pouvez-vous décrire pourquoi la découverte de la prothèse a été surprenante?

FAIRE LE MÉNAGE: Tout vient de cette idée de la communauté des ingénieurs sur l’incarnation. Lorsque [people] utiliser un appareil (et, en particulier pour une personne amputée, où elle utilise une prothèse), a-t-elle subjectivement l’impression que cela fait partie de son corps? Peut-être que cela signifie, d’un point de vue neuronal, que le cerveau commence à représenter réellement l’appareil comme une partie du corps. La réponse frappante que nous obtenons à travers ce travail est que cette idée d’incarnation ne fait pas vraiment adapté lorsque vous considérez ce qui se passe dans le cerveau – au moins dans les parties du cerveau que nous étudiions.

Qu’est-ce qui a conduit à la recherche avec les ramasseurs de litière?

MAKIN: Le résultat du travail avec les prothèses était donc très, très excitant. Hunter était désireux de reproduire cette découverte. [With the litter pickers], nous pensions [that the brain is smart and flexible enough, plastic enough, to come up with new solutions to represent expert tools. They can pick up really different shapes and weights—cups with fluid, cigarette butts. It’s actually quite impressive how good they are.  

SCHONE: Like a prosthesis that sort of substitutes for hand function, we tried to find a tool that’s an extension of the hand function—a different kind of tool—and we tried to find only experts and see if you can show, in this group, the same results as [those] pour la prothèse. Nous avons parlé du recrutement de dentistes et de chirurgiens et des types d’outils qu’ils utilisent. Roni pensait que les travailleurs des ramasseurs de litière pourraient être plus faciles à trouver que d’essayer de trouver un groupe de chirurgiens. Vous les voyez partout à Londres.

Qu’as-tu fait dans les expériences?

FAIRE LE MÉNAGE: Nous nous sommes concentrés sur le cortex visuel. La chose intéressante à ce sujet est que dans le cortex visuel, vous avez une zone visuelle du cerveau qui représente les mains. À proximité, il y a une zone de chevauchement où les outils sont également représentés. Voici en quelque sorte cette région parfaite pour tester cette question, où vous avez des mains et des outils représentés. Nous voulions savoir ce qui se passe dans cet espace lorsque vous devenez un expert avec un outil.

Nous voulions en quelque sorte simuler l’expérience du ramasseur de litière de la meilleure façon possible, car ils ne peuvent pas utiliser l’outil de ramassage de litière dans le scanner. Nous avons donc réalisé ces vidéos: les vidéos montraient une main saisissante – ou un outil de ramassage de litière – un objet ou une personne utilisant un autre type d’outil de saisie, comme une paire de pinces. Nous avons réalisé 48 vidéos uniques.

Et qu’avez-vous trouvé?

FAIRE LE MÉNAGE: Nous avons mis tout le monde dans le scanner et leur avons montré les vidéos. Et nous avons examiné l’activité dans cette zone du cerveau qui est une zone visuelle qui se chevauchent pour les mains et les outils. Et nous avons regardé comment chacune de ces choses était représentée. Nous avons donc utilisé une analyse qui compare les différences dans les modèles d’activité – ce qui signifie que vous pouvez voir des choses qui dans le cerveau sont représentées de manière similaire ou différente.

Nous avons fait une analyse de chacune de ces différentes catégories (main, outil de ramassage de litière, pinces). Nous avons comparé à quel point le modèle d’activité était similaire lorsqu’un participant voyait l’outil de ramassage de litière, par rapport à la vue de la main ou à la vue du ramasseur de litière, par rapport à la vue des pinces.

L’idée d’incarnation est que lorsque vous utilisez un outil, votre cerveau s’y rapporte plus comme une partie réelle du corps. Cela signifierait que la main et l’outil de ramassage de litière seraient représentés de manière plus similaire. Mais en fait, nous avons vu l’effet exactement opposé, et ce sont les mêmes résultats que nous avons vus dans notre étude sur les prothèses.

MAKIN: Il s’agit de la première série d’études à tester vraiment directement cette hypothèse sur la façon dont le cerveau représente un outil en décodant l’activité cérébrale des personnes. Cela n’a jamais été fait auparavant. Il s’agit donc de la tentative la plus sérieuse d’identifier l’incarnation – et [to find] preuve très concluante contre cela.

Mais cela ne scelle pas l’accord contre l’incarnation. L’incarnation est un phénomène à multiples facettes. Si vous posez la question au cerveau, ou au moins au cortex visuel, des personnes qui utilisent davantage la prothèse, leurs organes incarnent moins la prothèse. Mais si vous interrogez les gens sur leur expérience subjective de la façon dont ils perçoivent la prothèse après de longues périodes d’utilisation, plus ils l’utilisent, plus ils disent que cela fait partie de leur corps.

L’écart entre la façon dont les gens vivent la prothèse et la façon dont le cerveau la représente pourrait s’expliquer par le fait que nous nous concentrons uniquement sur une partie spécifique du cerveau. Pour nous, c’était la zone cérébrale parfaite. Mais c’est une zone cérébrale d’un réseau massif, massif et très complexe de zones cérébrales. Si nous ne regardons qu’une seule pièce du puzzle, cela pourrait être une image complètement différente pour le reste du cerveau. Cela pourrait être une explication.

Personnellement, je ne pense pas que ce soit le cas. Je ne vois pas l’intérêt pour le cerveau d’imiter ou de s’appuyer sur l’infrastructure sensori-motrice que nous avons pour la main, de contrôler ou de représenter quelque chose qui est si différent d’une main. La façon dont nous déplaçons chacun de nos doigts séparément est très différente du mouvement très rigide et unique effectué avec un outil de ramassage de litière et très différente de ce que vous pouvez faire avec votre prothèse.

Si la prothèse et le ramasseur de litière n’étaient pas des extensions du corps, comment étaient-ils représentés dans le cerveau?

MAKIN: Si vous regardez des gens qui sont des experts dans la sélection d’oiseaux ou de voitures, ils commencent à créer une sorte de nouvelle expertise dans le cerveau. Ils consacrent donc plus de ressources cérébrales à la représentation des oiseaux et des voitures. Et ils proposent des représentations plus raffinées de cette nouvelle chose que la normale – quelque chose que votre cerveau ou mon cerveau ne pourrait pas capter. De la même manière, vous pouvez devenir un expert dans l’utilisation d’une prothèse. Vous comprenez les différentes fonctionnalités et leur importance. Vous commencez à en proposer une représentation experte. Mais ce n’est pas une représentation de votre propre corps, c’est une représentation d’un objet. C’est ce que nous avons trouvé grâce à notre [functional magnetic resonance imaging] études des utilisateurs de prothèses et des ramasseurs de litière.

Pouvez-vous en dire plus sur votre objectif de travail?

MAKIN: Je m’intéresse à la manière dont nous pouvons aider les ingénieurs à concevoir la meilleure prothèse, car en ce moment, nous avons une crise: les ingénieurs conçoivent des prothèses de plus en plus compliquées, qui deviennent de plus en plus chères, de plus en plus sophistiquées.

Et je pense qu’un problème potentiel est que les designers sont très enchantés par la notion d’incarnation. Ils essaient de concevoir des prothèses qui fonctionnent de la même manière que le corps fonctionne. Ils supposent que plus la prothèse est proche de la main, plus il sera facile pour le cerveau de remplacer la main par une prothèse. Notre recherche dit: «Ne vous inquiétez pas. Votre cerveau est en plastique. Votre cerveau va trouver la meilleure solution pour représenter une prothèse. Le cerveau sait que ce n’est pas une main. C’est passionnant car cela invite les ingénieurs à sortir des sentiers battus de la conception de prothèses. Ils peuvent réfléchir à de nouvelles approches d’ingénierie. Qui a dit que le membre prothétique devait ressembler à une main et non à un tentacule d’une pieuvre?

Que faites-vous d’autre dans ce domaine?

Crédit: Dani Clode Design and the Plasticity Lab, University College London

MAKIN: Cela ouvre également des opportunités très intéressantes pour l’augmentation motrice. Nous travaillons avec un doigt robotisé pour donner aux personnes valides avec cinq doigts une partie du corps supplémentaire qu’elles n’avaient jamais eue auparavant. Le cerveau n’a pas plus de ressources pour soutenir cette nouvelle partie du corps parce que nous ne sommes pas génétiquement conçus pour avoir six doigts. Mais si le cerveau est suffisamment plastique pour proposer une nouvelle solution pour les prothèses, il devrait aussi être suffisamment plastique pour nous permettre de profiter de ces nouvelles technologies, comme un troisième pouce. Nous sommes très chanceux de travailler avec Dani Clode, qui a conçu ce dispositif d’augmentation pour étendre les capacités motrices des personnes. Et nous faisons de nombreuses études avec cet appareil afin de comprendre ce qui arrive au cerveau de l’utilisateur lorsqu’il utilise un pouce supplémentaire.

Les utilisateurs formés du pouce ont fait preuve d’une grande dextérité. Mais des recherches supplémentaires sont-elles nécessaires pour déterminer ce qui arrive à la coordination motrice dans la main naturelle si les gens utilisent constamment des pouces artificiels?

MAKIN: L’utilisation du pouce a changé la façon dont les gens coordonnaient leurs mouvements, et nous pensons que cela a déclenché la plasticité cérébrale dans la façon dont la main est représentée. Cela signifie que pour profiter du pouce – élargir le répertoire moteur – quelque chose doit changer dans la façon dont nous utilisons et représentons notre corps. C’est certainement une considération importante qui n’a pas vraiment été soulevée auparavant, avec d’énormes considérations de sécurité. Si nous demandons à un travailleur d’usine d’utiliser une partie du corps supplémentaire dans l’usine, cela signifie-t-il qu’il sera plus maladroit lorsqu’il rentrera chez lui après avoir retiré l’appareil? Beaucoup plus de recherches sont nécessaires pour mieux comprendre l’équilibre entre l’utilisation d’une partie supplémentaire du corps, la plasticité cérébrale et le contrôle moteur du corps et de l’appareil.