La prédiction est l'un des principaux mécanismes neuro-cognitifs de notre cerveau. Chaque milliseconde, l'organe le plus complexe de l'être humain essaie constamment d'anticiper activement ce qui va se passer ensuite en se basant sur la connaissance de son environnement.
Pour faire cette prédiction, le cerveau utilisera les connaissances qu'il a des expériences passées et, de cette façon, prédira intelligemment ce qui se passera dans le futur immédiat.
Découverte du système cérébral qui anticipe le futur
Selon une recherche menée à l'Institut Max Planck (Allemagne), dont l'étude a été publiée dans Nature Communications en décembre 2019, le cerveau dispose d'un système sophistiqué pour anticiper l'avenir : il le fait rapidement et avec une consommation d'énergie minimale. Il doit nous préparer à réagir à toute éventualité.
Inconsciemment, le cerveau effectue des calculs mathématiques complexes pour traiter les informations de l'environnement à travers les sens. Mais face à l'éventualité de préparer l'avenir, il hâte ses calculs : il lui faut non seulement savoir ce qui va se passer, mais aussi, et non des moindres, quand.
La nouvelle recherche a découvert comment le cerveau parvient à anticiper l'avenir, que ce soit dans des circonstances normales ou exceptionnelles : il utilise un système de pensée rapide et une logique floue pour que nous réagissions de manière appropriée.
Pensée rapide et logique floue
Le système de pensée rapide est le moyen le plus courant utilisé par le cerveau pour traiter l'information. Il est instantané et consomme très peu d'énergie. C'est le système intuitif et émotionnel.
Le cerveau a également recours à la logique floue, une propriété très difficile à reproduire dans un ordinateur, mais qui permet de traiter des informations à partir de données imprécises : par exemple, comment quelque chose va se passer et quand.
La logique floue régit également la plupart de nos vies : nous recevons fréquemment des instructions telles que “tournez un peu plus à droite” et “n'allez pas si vite”. Grâce à la logique floue, personne ne nous dira : “déplacez-vous de 28 cm en cap vrai de 136º” ou “réduisez votre vitesse de 3,8 mètres par seconde”. Bien que ces énoncés soient génériques, nous sommes capables de réagir avec précision et d'ajuster la progression du véhicule dans le sens souhaité. Nous fonctionnons beaucoup plus par nuances, par transition, et c’est ce que la logique floue permet d’apporter.
Densité de probabilité
Les chercheurs ont également découvert que le cerveau utilise un modèle de pensée rapide appelé fonction de densité de probabilité (PDF) pour anticiper l'avenir.
Il distribue la probabilité d'occurrence sur le temps pendant lequel elle peut se produire, pour obtenir une plus grande confiance dans l'exactitude et ainsi dissiper l'incertitude : il a déterminé que le temps de réaction à un événement stochastique (non déterministe) est proportionnel à l'inverse de sa probabilité.
De cette manière, il nous prépare à toute éventualité présente ou future, que les informations sensorielles proviennent de la vision, de l'ouïe ou du système somato-sensoriel, qui traite les stimuli liés au toucher, à la température, à la proprioception (position du corps) et à la nociception (douleur).
Tenants et aboutissants du cerveau
Le succès du cerveau à anticiper l'avenir ne dépend pas seulement du modèle utilisé, mais aussi de la sélection préalable qu'il a dû effectuer pour remplir sa mission.
Deuxièmement, le cerveau devait également choisir entre le modèle à réflexion rapide appelé la fonction de densité de probabilité et une alternative également disponible : le modèle de taux de risque, plus connu sous son expression anglaise Hazard ratio.
Calculs complexes
Enfin, même si le cerveau choisit un système à pensée rapide pour anticiper l'avenir, il calcule quelque chose de très complexe – le facteur temps par probabilité – une fonction qui correspond au système à pensée lente. Il y parvient grâce à la logique floue et confirme ainsi que ce système de pensée rapide est très efficace.
Il est si puissant qu’il sert même pour les tribus amazoniennes qui ne connaissent pas les nombres : leur système de pensée rapide est également capable de traiter des informations de probabilité complexes tout comme notre cerveau, même si ses membres ne peuvent même-pas savoir quel âge ils ont.
Le cerveau utilise deux horloges internes pour anticiper le futur
Une recherche de l'Université de Berkeley en Californie, dont les résultats sont publiés dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences en novembre 2018, a découvert que le cerveau utilise deux mécanismes neuronaux différents pour prédire l'avenir immédiat. Les deux nous permettent de naviguer et de profiter du monde de tous les jours.
L'un des mécanismes neuronaux est une sorte d'horloge interne basée sur le rythme. Il est lié aux ganglions de la base du cerveau (noyaux gris centraux), qui traitent des mouvements volontaires effectués inconsciemment, pour des tâches routinières. L'autre horloge interne est basée sur l'expérience précédente. Il est associé au cervelet, une région du cerveau dont la fonction principale est d'intégrer les voies sensorielles et les voies motrices.
Les deux horloges sont essentielles à notre capacité à naviguer et à profiter du monde. Ensemble, ces systèmes cérébraux nous permettent non seulement d'exister dans le présent, mais aussi d'anticiper activement l'avenir.
Ils font référence aux processus quotidiens de la vie, par exemple, appuyer sur l'accélérateur de la voiture une fraction de seconde avant que le feu ne passe au vert, ou commencer à taper du pied avant que la musique que nous attendons ne commence à jouer. L'étude offre une nouvelle perspective sur la façon dont nous, les humains, calculons quand faire un geste.
Cette synchronisation n'est pas un processus unifié, mais il existe deux manières différentes de faire des prédictions temporelles et celles-ci dépendent de différentes parties du cerveau.
Les résultats de ces travaux confirment que le cerveau utilise deux mécanismes différents pour le délai d'exécution, remettant en question les théories selon lesquelles un seul système cérébral gère tous nos besoins de synchronisation.
Les résultats suggèrent au moins deux façons différentes dont le cerveau a évolué pour anticiper l'avenir. Un système basé sur le rythme est sensible aux événements périodiques du monde, comme cela est inhérent à la parole et à la musique. Et un système d'intervalles offre une capacité d'anticipation plus générale, sensible aux régularités temporelles, même en l'absence de signal rythmique.
Méthodologie
Les chercheurs ont étudié les forces et les déficits d'anticipation chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson – un type de trouble du mouvement – et les personnes atteintes de dégénérescence cérébelleuse, une maladie dans laquelle les neurones du cervelet – la zone du cerveau qui contrôle la coordination et l'équilibre musculaire – se détériorent et meurent.
Grâce à divers tests, ils ont comparé le comportement des patients atteints des deux maladies lors d'exercices informatiques utilisant des signaux temporels. Les deux groupes regardaient des séquences de carrés rouges, blancs et verts sur un écran d'ordinateur en passant à des vitesses différentes : ils devaient appuyer sur une touche au moment où ils voyaient passer le carré vert. Comme le feu orange des feux tricolores, les carrés blancs leur avertissent que le carré vert est sur le point de passer.
Les chercheurs ont constaté que tant que le rythme des différents carrés était constant, les patients atteints de dégénérescence cérébelleuse répondaient bien à ces signaux rythmiques. Cependant, lorsque les carrés colorés suivaient un motif plus complexe, avec des intervalles différents entre les carrés rouges et verts, cette séquence était plus facile à suivre pour les patients atteints de la maladie de Parkinson.
L'étude a permis aux chercheurs d'établir un lien entre la synchronisation rythmique et les ganglions de la base, ainsi qu'entre la synchronisation d'intervalle, une minuterie interne basée sur notre mémoire d'expériences passées, et le cervelet. Les deux sont des régions cérébrales primaires associées au mouvement et à la cognition.
De plus, leurs résultats suggèrent que si l'une de ces horloges neurales tombe en panne, l'autre pourrait théoriquement intervenir. L'étude identifie non seulement les contextes d'anticipation dans lesquels ces patients neurologiques sont touchés, mais également les contextes dans lesquels ils n'ont pas de difficultés, suggérant que leurs environnements pourraient être modifiés pour faciliter leur interaction avec le monde.
Nouveaux traitements. A partir de ces résultats, de nouvelles pistes s'ouvrent pour des traitements non pharmaceutiques des personnes présentant des déficits de temporalisation neurologique : jeux informatiques, applications mobiles, stimulation cérébrale profonde et modifications environnementales du sommeil pourraient les aider à pallier ces déficits.
Le cerveau anticipe ce qui va se passer et réagit lorsque les sens contredisent sa prédiction – Théorie du codage prédictif
Une recherche de l'Institut de recherche biomédicale de Salamanque (IBSAL) et de l'Institut des neurosciences de Castille et León (INCYL), dont les travaux ont été publiés dans la revue scientifique Plos Biology en décembre 2020, a montré expérimentalement que le cerveau prédit en permanence ce que va se passer autour de nous et qu'il existe un mécanisme neuronal qui nous alerte lorsque les informations fournies par les sens ne coïncident pas avec les prévisions.
Les chercheurs travaillent depuis des années sur la théorie du codage prédictif du cerveau, qui examine ce processus. Le cortex préfrontal anticipe ce qui va se passer dans le futur et prend des décisions, mais ces prédictions sont comparées en interne dans le cerveau avec les stimuli sensoriels que nous recevons, qu'ils soient visuels, olfactifs, somato-sensoriels ou auditifs. Dans cette comparaison, lorsque la prédiction et le stimulus sensoriel coïncident, ils s'annulent simplement. Cependant, s'ils diffèrent, ce que nous appelons une erreur de prédiction se produit.
Il existe de nombreux exemples dans la vie quotidienne qui aident à comprendre ce concept. Par exemple, si nous quittons la maison sans parapluie parce que nous pensons qu'il fait beau mais que lorsque nous ouvrons la porte, il pleut. S'il y avait effectivement du soleil, comme notre cerveau l'a prévu, nous ne le remarquerions même pas. La même chose se produit lorsque le fil d'une conversation se rompt avec une tournure inattendue ou si un bruit inattendu éclate parmi d'autres bruits quotidiens.
Jusqu'à présent, cette théorie du codage prédictif reposait sur des modèles mathématiques, mais la nouveauté de l'article est que les chercheurs l'ont démontré expérimentalement. Il n'y avait aucune preuve que les neurones agissent vraiment de cette manière du point de vue moléculaire, donc dans ce travail ils le démontrent avec des expériences électro-physiologiques dans un modèle animal.
Enregistrer le comportement de ces neurones chez l'homme serait beaucoup plus complexe, mais des expériences chez le rat ont permis de confirmer la réaction neuronale à une erreur de prédiction. Plus précisément, les recherches se concentrent sur le système auditif, qui est le plus utilisé pour étudier cette question, mais les résultats peuvent aussi être extrapolés au reste des systèmes sensoriels, qui en théorie devraient avoir un mécanisme similaire.
Applications thérapeutiques
Les chercheurs expliquent qu'il est très important d'avancer dans la connaissance de ces processus car ils sont liés à certaines pathologies psychiatriques et neuro-dégénératives. D'une part, dans la schizophrénie et l'autisme, le mécanisme de prédiction et de comparaison est altéré. Très probablement, les neurones impliqués dans l'erreur de prédiction fonctionnent mal. Par conséquent, il existe une base cellulaire et neurologique pour les modifications du cortex préfrontal qui expliquent pourquoi ceci se produit.
Quelque chose de similaire se produit dans des maladies telles que la maladie d'Alzheimer, bien que la raison soit différente. Dans ce cas, il ne s'agit pas d'altérations, mais du fait que les neurones qui meurent ou sont endommagés sont comme des pièces du puzzle qui cessent de fonctionner correctement. Par conséquent, les défaillances des mécanismes de prédiction du cerveau entraînent des problèmes cognitifs.
Ces futures thérapies pourraient être utiles pour toutes les pathologies liées au codage prédictif. En fait, le problème avec les maladies neuro-dégénératives est que les mécanismes moléculaires de base ne sont pas encore compris, ces étapes sont donc importantes. Au cours des dernières décennies, aucun nouveau médicament pour les maladies neuro-dégénératives n'est arrivé sur le marché, mais s'il était confirmé que certaines substances peuvent aider à atténuer leurs effets, les chercheurs seraient en passe de les rendre chroniques.
Le cerveau anticipe le futur immédiat grâce à un mécanisme de prédiction automatique des séquences temporelles
Des chercheurs du Donders Institute for Brain, Cognition and Behavior Research de l'Université Radboud aux Pays-Bas, dont les travaux ont été publiés dans Nature Communications en mai 2017, ont mené une étude dans le but de ratifier cette affirmation.
L'équipe a montré que lorsque nous prévoyons un événement, nous le visualisons automatiquement et à une vitesse rapide, au moins deux fois plus rapide que la vitesse réelle à laquelle l'objet se déplace. Un exemple serait de traverser une rue passante. Face à cette situation très fréquente, notre cerveau va expressément accélérer la vitesse à laquelle les voitures s'approchent de nous afin de nous offrir une perception surestimée du risque que nous courons, nous dépêcher et rejoindre la sécurité du trottoir en face.
Pour savoir comment le cerveau anticipe les mouvements futurs, les chercheurs ont demandé à 29 individus de regarder une séquence de points se balancer de gauche à droite ou de reculer en une demi-seconde sur un écran 108 fois. Après les séances, les scientifiques ont découvert que le cerveau des participants était capable d'anticiper avec précision les mouvements que chaque point ferait.
Les gens ont ensuite été invités à regarder de nouvelles images aléatoires. Certaines se sont avérées les mêmes qu'avant, mais d'autres avec le point défilant sur l'écran, ne montrant que le début ou la fin de la séquence.
De cette manière, il a été possible de vérifier que notre système visuel peut anticiper la trajectoire d'un objet au moins deux fois plus vite que la trajectoire réelle, ce qui nous permet de prévoir la trajectoire d'un objet et d'agir en conséquence.
Pour les chercheurs, les résultats montrent que le cortex visuel peut compléter une séquence avec des informations partielles sur un objet en mouvement et que cet exploit peut être réalisé même lorsque l'attention est dirigée ailleurs. De plus, le fait que la prédiction des événements soit indépendante du statut d'attention suggère un processus automatique. Les experts pensent que l'hippocampe est impliqué dans ce processus d'anticipation du futur immédiat, une structure cérébrale liée à la mémoire mais aussi à cette fonction prémonitoire.
Le cerveau sait anticiper l'avenir en se basant sur l'analyse des informations précédentes
Des chercheurs de l'Association for Psychological Science (APS) des États-Unis, dont l'étude a été publiée dans la revue Psychological Science en août 2021, ont découvert l'action d'une "machine de prédiction" dans le cerveau humain, chargée de traiter les informations reçues de l'environnement cérébral pour anticiper ce qui se passera plus tard dans certaines situations.
Selon les chercheurs, le cerveau est capable de tirer parti des propriétés statistiques du monde pour prédire ce qui est susceptible de se produire ensuite, ainsi que pour analyser des informations et simplifier des ensembles de données complexes afin que nous puissions les gérer efficacement.
Pour comprendre le processus, l'étude développe une analogie avec l'expérience musicale. Lorsqu'une phrase musicale a une qualité incertaine ou non résolue, notre cerveau prédit automatiquement comment la mélodie se terminera : Les chercheurs suggèrent que le cerveau humain considère ce qui s'est passé avant pour anticiper ce qui vient après, dans une qualité prédictive et anticipative qui s'applique à différents stimuli.
Le cerveau a constamment une longueur d'avance et correspond aux attentes avec ce qui est sur le point de se produire. La découverte remet en question les hypothèses précédentes selon lesquelles les phrases musicales ne semblent terminées qu'après le début de la suivante. Par conséquent, tant dans l'appréciation musicale que dans d'autres aspects, notre cerveau est capable d'anticiper une étape future en se basant sur l'analyse d'informations antérieures.
Ce même mécanisme est utilisé par la "machine de prédiction" du cerveau dans d'autres situations ou contextes. Par exemple, un processus similaire se déroule au niveau linguistique : si une phrase musicale fait partie d'un tout plus complexe et étendu, comme une chanson ou une symphonie, une phrase est aussi un fragment d'un tout avec une certaine cohérence, comme il peut s'agir d'un texte narratif ou informatif. Le cerveau serait également capable de prédire certains aspects des phrases qui s'enchaînent dans un texte, que ce soit en termes de contenu, de style ou d'intention.
Haute entropie : le moment d'incertitude
Les scientifiques ont identifié un moment qu'ils ont appelé "haute entropie", un terme qui fait référence au degré d'incertitude qui existe devant un ensemble de messages, dont seule une partie est connue. Dans ce moment de doute, le mécanisme d'anticipation du cerveau entre en action, analysant les données précédentes et les croisant avec les informations qu'il reçoit du monde, afin de prédire ce qui va arriver.
Les résultats ont indiqué que les segments musicaux avec une entropie élevée ou un sentiment d'incertitude étaient classés comme plus complets et riches : dans ceux-ci, le cerveau devait agir pour anticiper un prochain mouvement, qui ne semblait pas logique ou évident. Selon les chercheurs, la découverte de ce mécanisme cérébral pourrait conduire au développement de stratégies psychosociales qui améliorent la communication entre les personnes dans de multiples contextes.
Savoir ce qui va se passer, soit tout de suite, soit un peu plus tard, est un facteur critique de survie, mais c'est aussi une chose de tous les jours : il faut savoir s'il va pleuvoir demain ou sommes attentifs au coup qui annonce le départ d'une course sportive. Nous devons nous émerveiller de la façon dont notre cerveau doit faire mille pirouettes pour pouvoir bien faire les choses dans le sens temporel sans que nous soyons conscients du fait de quand et comment il les fait.
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