Distinct and shared neural resources between processing of dynamic physical objects and spatial working memory

Le Couteau Suisse du Cerveau contre l'Outil Spécialisé

Imaginez que votre cerveau est une ville bouillonnante. Dans cette ville, il existe des districts spécialisés dédiés à des tâches spécifiques : un « District de la Musique » pour entendre les mélodies, un « District du Langage » pour comprendre les mots, et un « District Visuel » pour voir les couleurs. Mais il y a aussi une zone générale appelée « Centre-Ville », souvent nommée le cortex fronto-pariétal, qui s'illumine chaque fois que vous faites face à un défi difficile, qu'il s'agisse de résoudre un problème de mathématiques, de vous empêcher d'appuyer sur un bouton rouge ou de vous souvenir d'un numéro de téléphone. Les scientifiques se demandent depuis longtemps quelle est la relation entre ce Centre-Ville très actif et les districts spécialisés. Plus précisément, existe-t-il un « District de la Physique » spécial dans le cerveau, dédié uniquement à comprendre comment les objets bougent, s'entrechoquent et tombent ? Ou bien cette même zone du Centre-Ville assure-t-elle un double rôle, gérant à la fois les problèmes de physique complexes et la gymnastique mentale générale ?

Pour comprendre cela, nous devons savoir deux choses. Premièrement, la Physique Intuitive est la capacité naturelle que nous avons tous de deviner comment le monde fonctionne — comme savoir qu'une tour de blocs tombera si vous poussez la base, ou qu'une balle rebondira contre un mur. Deuxièmement, la Mémoire de Travail Spatiale est le pense-bête mental que nous utilisons pour garder une position en tête, comme se souvenir de l'endroit où vous avez garé votre vélo ou suivre un ami dans une pièce bondée. La grande question est la suivante : le cerveau utilise-t-il une équipe de neurones unique et dédiée uniquement à la physique, ou recrute-t-il la même équipe générale de « travailleurs acharnés » qui gère toutes les tâches difficiles ? S'il s'agit de la même équipe, alors être bon en physique pourrait simplement signifier que vous avez une capacité d'attention générale très développée. S'il s'agit d'une équipe unique, alors la physique est une compétence spéciale en soi.

Le Double Service du Cerveau

Dans cette étude, les chercheurs Samuel Maione et Shari Liu, de l'Université Johns Hopkins, ont décidé de jouer à un jeu de « trouver les différences » à l'intérieur du cerveau de 28 adultes. Ils voulaient voir si les régions cérébrales qui adorent réfléchir aux objets physiques (comme des billes de billard qui rebondissent) sont exactement les mêmes régions qui adorent résoudre des puzzles de mémoire difficiles.

Ils ont placé les participants dans une machine d'IRM et leur ont soumis deux défis principaux. Premièrement, ils leur ont montré des vidéos de points en mouvement. Parfois, les points agissaient comme des objaux physiques (rebondissant sur les murs comme des billes de billard), et parfois, ils agissaient comme des agents sociaux (se poursuivant comme des amis). Les participants devaient suivre la trajectoire des points s'ils disparaissaient un instant. Deuxièmement, ils ont joué à un jeu de mémoire de travail spatiale. Les participants voyaient une grille où des carrés bleus apparaissaient. Dans la version « facile », seuls quelques carrés s'allumaient. Dans la version « difficile », beaucoup de carrés s'allumaient, et les participants devaient se souvenir exactement de leur emplacement.

Les chercheurs ont utilisé une astuce ingénieuse appelée « régions d'intérêt fonctionnelles » (fROI). Voyez cela comme le fait de trouver les quartiers spécifiques de la ville cérébrale qui s'illuminent le plus pour chaque tâche. Ils ont trouvé le « Quartier Physique » (les zones qui préféraient les vidéos de billes de billard aux vidéos sociales) et le « Quartier du Travail Acharné » (les zones qui préféraient le jeu de mémoire difficile au jeu facile).

Voici ce qu'ils ont découvert, et c'est un véritable coup de théâtre :

1. Les quartiers se chevauchent, mais pas parfaitement
Le « Quartier Physique » et le « Quartier du Travail Acharné » sont voisins. Ils partagent certaines rues. Environ un quart des cellules cérébrales de ces zones font partie des deux quartiers. Cela suggère que le cerveau n'a pas d'équipes complètement séparées pour ces tâches ; elles sont juste à côté l'une de l'autre et travaillent parfois ensemble.

2. La rue à sens unique
C'est ici que cela devient intéressant. Les chercheurs ont découvert une asymétrie étrange.

• Le Quartier du Travail Acharné (les zones qui gèrent habituellement les tâches difficiles) ne semblait pas vraiment se soucier de savoir si la tâche concernait la physique ou des agents sociaux. Il s'illuminait simplement parce que la tâche était difficile.
• Cependant, le Quartier Physique (les zones qui adorent habituellement la physique) s'illuminait fortement lorsque les participants jouaient au jeu de mémoire difficile. En fait, ces cellules « amoureuses de la physique » travaillaient tout aussi dur pour le jeu de mémoire que pour le jeu de physique.

C'est comme découvrir une boulangerie spécialisée qui se trouve aussi être le meilleur endroit pour prendre un café, mais le café d'à côté ne fait pas de pain. Les cellules de la « physique » sont polyvalentes ; elles sont heureuses de faire de la physique, mais elles sont aussi heureuses de réaliser des tâches de mémoire spatiale difficiles. Les cellules du « travail acharné », en revanche, sont moins exigeantes sur le sujet et veulent simplement un défi.

3. Le jeu de prédiction
Les chercheurs ont ensuite examiné les différences individuelles. Ils se sont demandé : « Si une personne possède des cellules "physiques" hyperactives, est-elle meilleure au jeu de mémoire ? »
La réponse est un oui retentissant. Les personnes dont le « Quartier Physique » s'illuminait le plus pendant le jeu de mémoire difficile étaient aussi les plus précises pour se souvenir des emplacements de la grille.
Étonnamment, l'inverse n'était pas vrai. Le fait d'avoir des cellules du « Quartier du Travail Acharné » très actives ne rendait pas nécessairement quelqu'un meilleur au jeu de mémoire. C'était spécifiquement l'activité dans les cellules « aimant la physique » qui prédisait qui serait bon dans le puzzle spatial.

Ce que cela signifie (et ce que cela ne signifie pas)

L'étude suggère que les régions du cerveau que nous utilisons pour comprendre le monde physique ne sont pas seulement des spécialistes isolés. Elles sont également fortement impliquées dans l'attention spatiale générale et les tâches exigeantes. Les auteurs suggèrent que ces régions pourraient être un hybride : elles sont assez spécialisées pour gérer la physique, mais elles sont aussi recrutées pour d'autres tâches difficiles, impliquant l'espace et la localisation.

Cependant, l'article prend soin de ne pas dire que c'est la seule façon dont le cerveau fonctionne. Les chercheurs ont noté que, bien que les cellules de la « physique » aient aidé au jeu de mémoire, les cellules du « travail acharné » ne semblaient pas prédire qui était bon au jeu de mémoire. Cela suggère que, bien que le réseau de raisonnement physique soit impliqué dans les tâches spatiales, il ne raconte pas toute l'histoire.

De plus, les chercheurs n'ont pas pu tester si ces schémas cérébraux prédisaient qui était bon au jeu de physique lui-même. Pourquoi ? Parce que le test pour le jeu de physique était un peu trop « bruyant » — les scores des gens variaient trop pour tracer une ligne claire entre l'activité cérébrale et la compétence. Ainsi, bien que nous sachions que les cellules de la « physique » aident à la mémoire, nous ne savons pas encore si elles sont la recette secrète pour être un génie de la physique.

En bref, l'équipe « physique » du cerveau est aussi une équipe de « mémoire spatiale ». Ce sont les mêmes travailleurs, portant simplement des chapeaux différents selon le travail. Mais l'équipe du « travail acharné » est un peu plus générique, se présentant pour tout défi difficile sans nécessairement faire de vous un maître de ce défi spécifique. Cette étude suggère que notre capacité à comprendre le monde physique et notre capacité à maintenir l'espace dans notre esprit sont profondément entrelacées, partageant le même patrimoine neural.