Rapid spatial cognition in mice, with and without neocortex and hippocampus
Cette étude démontre que des souris dépourvues à la fois du néocortex et de l'hippocampe peuvent apprendre, généraliser et mémoriser rapidement des tâches complexes de navigation spatiale en 3D, indiquant que ces capacités cognitives sophistiquées ne dépendent pas strictement de ces structures cérébrales.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Pour comprendre comment un animal apprend à se déplacer dans un nouveau monde, les scientifiques se sont longtemps concentrés sur deux parties spécifiques du cerveau : l'hippocampe et le néocortex. L'hippocampe est souvent considéré comme le cartographe interne du cerveau, aidant les créatures à se souvenir d'où elles sont passées et d'où elles doivent aller. Le néocortex, la couche la plus externe du cerveau, est censé gérer la pensée complexe, permettant aux animaux de comprendre des règles et de s'adapter à de nouvelles situations. Pendant des décennies, la vision prédominante a été que l'apprentissage rapide — la capacité de résoudre un problème après seulement quelques essais — nécessite ces deux structures sophistiquées. Si un animal en est dépourvu, l'hypothèse était qu'il resterait bloqué dans une boucle d'essais et d'erreurs, incapable de former une image mentale de son environnement ou de se souvenir d'un chemin fructueux. Cette idée a façonné notre compréhension de l'intelligence, suggérant qu'une pensée rapide est un luxe réservé aux cerveaux complexes.
Cependant, une nouvelle étude remet en question cette croyance de longue date en posant une question simple : que se passe-t-il lorsque l'on retire les parties mêmes du cerveau que nous pensons essentielles à l'apprentissage ? Des chercheurs de l'Institut de technologie de Californie ont conçu un labyrinthe tridimensionnel complexe pour les souris, une structure ressemblant à une grille de rues urbaines mais empilée en couches. Ils ont ensuite testé des souris nées sans néocortex ni hippocampe. Ces animaux, appelés souris acorticales, ne possèdent que les parties plus anciennes et plus profondes du cerveau. L'objectif était de voir si ces souris pouvaient apprendre le labyrinthe, mémoriser la solution et appliquer ce qu'elles ont appris à de nouvelles versions du puzzle. Les résultats révèlent que la capacité du cerveau à apprendre rapidement ne dépend pas strictement des structures que nous pensions autrefois indispensables.
Les chercheurs ont construit un labyrinthe appelé le « Manhattan Maze », un labyrinthe reconfigurable composé de deux couches de couloirs. Imaginez une grille de tunnels horizontaux en bas et une grille de tunnels verticaux correspondante au-dessus, séparées par une feuille de plastique percée de trous. En échangeant cette feuille, les chercheurs pouvaient instantanément changer quels tunnels étaient connectés, créant ainsi des milliers de configurations uniques sans déplacer le labyrinthe physique. Les souris ont commencé par une version simple pour apprendre que des récompenses d'eau étaient disponibles à deux ports spécifiques, l'un à l'extrémité « maison » et l'autre à l'extrémité « sortie ». Elles devaient faire des allers-retours entre ces ports pour boire. Une fois qu'elles ont maîtrisé cette routine de base, les chercheurs leur ont présenté un labyrinthe complexe avec un chemin long et sinueux qui nécessitait neuf virages corrects pour atteindre la récompense.
Les souris normales ont appris ce chemin remarquablement vite. En seulement quelques heures et après seulement une poignée de récompenses, elles ont cessé de errer sans but et ont commencé à prendre des itinéraires directs. Elles n'ont pas seulement mémorisé une séquence de virages, elles ont appris une règle générale sur la façon de progresser sans faire marche arrière, une compétence qu'elles ont pu appliquer à de nouvelles configurations du labyrinthe dès le lendemain. Elles ont également montré une capacité à mémoriser la solution pendant des semaines. Plus frappant encore, elles ont pu identifier quel point de décision spécifique dans le labyrinthe était le plus important, même si cette décision était éloignée de la récompense, tant dans l'espace que dans le temps. Cette capacité à attribuer du mérite à un choix lointain est une caractéristique d'un apprentissage sophistiqué.
Les chercheurs ont ensuite porté leur attention sur les souris dépourvues de néocortex et d'hippocampe. Au début, ces animaux ont éprouvé des difficultés. Elles exploraient le labyrinthe de manière inefficace, courant de long en large dans les mêmes couloirs et mettant beaucoup plus de temps que leurs homologues normales pour trouver l'eau. Elles semblaient incapables de construire une carte mentale de l'espace lors de leur exploration initiale. Cependant, une fois qu'elles ont enfin trouvé une récompense et commencé à apprendre, quelque chose de surprenant s'est produit. Les souris acorticales se sont améliorées aussi rapidement que les souris normales. Elles ont appris à prendre des itinéraires directs, se sont souvenu du chemin pendant des jours et même des semaines, et ont pu généraliser leurs connaissances à de nouvelles configurations de labyrinthes. Elles ont même réussi à identifier les points de décision critiques dans le labyrinthe complexe, montrant qu'elles pouvaient attribuer de la valeur à un choix fait loin de la récompense.
L'étude suggère que le retard des souris acorticales n'était pas un échec de l'apprentissage, mais un échec de l'exploration. Sans les structures cérébrales supérieures, elles étaient moins efficaces pour recueillir des informations sur le labyrinthe avant de trouver une récompense. Mais une fois qu'elles ont obtenu ce premier élément d'information, leurs circuits cérébraux restants étaient pleinement capables de le traiter, de former une mémoire et de l'utiliser pour naviguer. Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour tester comment différents algorithmes d'apprentissage pourraient expliquer ce comportement. Ils ont découvert qu'un modèle basé sur la construction d'une carte de l'environnement pouvait expliquer le succès rapide des souris, tandis qu'un modèle basé purement sur le renforcement par essais et erreurs ne le pouvait pas. Cela soutient l'idée que le cerveau sous-cortical, la partie la plus ancienne du cerveau, est capable de construire une carte cognitive et d'apprendre à partir de très peu d'expériences.
Cette découverte redéfinit notre compréhension de l'endroit où réside l'intelligence dans le cerveau. Elle montre que la capacité d'apprendre rapidement, de mémoriser un chemin et de s'adapter à de nouvelles situations n'est pas le domaine exclusif du néocortex et de l'hippocampe. Ces fonctions peuvent émerger des parties plus profondes et plus anciennes du cerveau, à condition que l'animal ait l'opportunité d'explorer et de trouver une récompense. L'étude ne prétend pas que le néocortex et l'hippocampe sont inutiles ; elle suggère plutôt que leur rôle principal dans ce contexte pourrait être de faciliter l'exploration initiale et l'organisation de l'information, plutôt que d'être le seul siège de l'apprentissage lui-même. La capacité du cerveau pour l'apprentissage spatial rapide semble être un trait plus fondamental et plus répandu que ce que l'on pensait auparavant, résidant dans des circuits qui existaient bien avant l'évolution des couches externes complexes du cerveau des mammifères.
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