Le MIT découvre que le cerveau réutilise les mêmes circuits neuronaux pour différentes tâches

Des neuroscientifiques du MIT ont découvert les premières preuves que le cerveau utilise des modules neuronaux flexibles et polyvalents : des groupes de neurones dans le cortex préfrontal capables d'alterner entre le stockage d'informations sensorielles et de plans d'action dans la mémoire de travail, plutôt que de s'appuyer sur des circuits dédiés pour chaque tâche.

Des briques de construction cognitives

Ces résultats, publiés lundi dans la revue Nature Neuroscience, sont issus d'une collaboration entre Mriganka Sur, de l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire du MIT, et Timothy Buschman, de l'Institut de neurosciences de Princeton. L'auteur principal, Yuma Osako, chercheur postdoctoral au MIT, décrit la découverte centrale : « Le cerveau ne consacre pas un groupe distinct de neurones à chaque type d'information. Au lieu de cela, il utilise les mêmes populations de neurones pour effectuer le même calcul sur différents types d'informations. »news.mit+1

L'équipe a entraîné des souris à une tâche d'appariement différé à l'échantillon, leur demandant de déterminer si deux sons avaient la même hauteur, puis de réagir en conséquence. En enregistrant les impulsions électriques de milliers de neurones pendant l'exercice, les chercheurs ont identifié des sous-espaces neuronaux distincts, c'est-à-dire des schémas d'activité coordonnés à travers de nombreux neurones, associés au traitement des stimuli et au maintien de la mémoire.bioengineer

Dans le cortex pariétal, les neurones semblaient dédiés au stockage des souvenirs sensoriels des sons. Mais dans le cortex préfrontal, un groupe de neurones changeait de rôle selon la phase de la tâche : pendant l'intervalle entre les deux sons, ils stockaient la mémoire sensorielle, et après le second son, ils conservaient le plan d'action de l'animal.sflorg+1

Des souris aux machines

Les chercheurs ont validé leurs conclusions à l'aide de réseaux de neurones récurrents artificiels contraints par les données issues des souris. Lorsqu'ils ont simulé la désactivation de groupes de neurones spécifiques, la perturbation d'un groupe interférait avec un calcul particulier tout en laissant les autres intacts, ce qui correspond à des modules spécialisés mais réutilisables.bioengineer

Timothy Buschman a comparé cette organisation à des « Legos cognitifs » pouvant être combinés de manière flexible pour générer de nouveaux comportements. « Cela signifie que vous n'avez pas besoin de construire un tout nouveau circuit pour garder des informations en mémoire chaque fois que vous voulez apprendre une nouvelle tâche », a-t-il expliqué.news.mit

Implications pour la cognition et l'IA

Cette découverte offre un cadre pour comprendre comment les animaux accomplissent des tâches complexes dans des conditions changeantes avec un nombre limité de neurones. Si les opérations cognitives sont construites à partir de modules réutilisables, l'apprentissage d'une nouvelle tâche pourrait consister à modifier la connexion entre ces modules plutôt qu'à construire de tout nouveaux circuits. Les chercheurs prévoient ensuite d'étudier si l'inhibition de ces modules au cours de différentes phases de la tâche affecte le comportement, ce qui pourrait confirmer leur rôle causal dans la cognition flexible.news.mit+1

Ces travaux ont été financés par les National Institutes of Health, le Picower Institute Innovation Fund et plusieurs bourses internationales.sflorg