Wavelet Transform Coherence Under Controlled Temporal Correspondence and Social Co-Presence: Implications for fNIRS Hyperscanning

Les êtres humains sont programmés pour créer des liens. Lorsque nous partageons un moment avec une autre personne, qu'il s'agisse d'une conversation, d'un rire partagé ou d'un mouvement coordonné, nos corps entrent souvent en phase. Nous pouvons nous pencher en avant au même moment, accorder notre respiration ou bouger nos mains en rythme. Les scientifiques appellent cela la synchronie interpersonnelle, un phénomène où nos comportements et même nos rythmes biologiques internes s'alignent. Ces dernières années, des chercheurs ont poussé cette observation à un nouveau niveau en regardant à l'intérieur du cerveau. En utilisant une technologie portable qui mesure le flux sanguin dans le cerveau, ils peuvent désormais enregistrer l'activité neurale de deux personnes simultanément pendant qu'elles interagissent. Cette approche, appelée hyperscan, a révélé que lorsque les gens se connectent, leurs ondes cérébrales semblent aussi se synchroniser. Mais une question cruciale demeure : ce rapprochement cerveau à cerveau se produit-il parce que les deux personnes s'influencent réellement, ou est-ce simplement parce qu'elles réagissent toutes deux à la même tâche ou au même environnement ?

Pour répondre à cela, une équipe de chercheurs de l'Université de Trente, en Italie, a conçu une expérience minutieuse pour tester la manière dont nous mesurons cette connexion cérébrale. Ils se sont concentrés sur un outil mathématique spécifique utilisé pour comparer les signaux cérébraux, appelé cohérence par transformée en ondelettes. Cet outil est comme une règle de haute précision qui vérifie si deux signaux cérébraux se déplacent en même temps à travers différentes vitesses. Les chercheurs voulaient savoir si cette règle pouvait détecter de manière fiable une différence entre des signaux destinés à correspondre et des signaux destinés à être différents. Plus important encore, ils voulaient voir si la présence d'une autre personne modifiait le fonctionnement du cerveau, et si ce changement affectait la mesure elle-même. En isolant le timing d'une tâche simple de l'expérience sociale de la réaliser avec un partenaire, ils ont découvert que la façon dont nous mesurons la synchronie cérébrale est profondément liée au contexte social dans lequel elle se produit.

L'étude a impliqué quarante-quatre adultes répartis en vingt-deux équipes. Chaque personne portait une casquette équipée de capteurs mesurant le flux sanguin dans les zones motrices du cerveau, les régions responsables du contrôle du mouvement. Ils portaient également des écouteurs pour écouter une série de bips. La tâche était simple : chaque fois qu'ils entendaient un ton, ils tapotaient leur doigt sur une touche pendant dix secondes, et quand le ton s'arrêtait, ils restaient immobiles. Les chercheurs ont créé un motif spécifique de tons et de silences qui se répétait par blocs. Certains blocs avaient la même structure temporelle, tandis que d'autres avaient des structures différentes. Le but était de voir si les signaux cérébraux des blocs correspondants paraissaient plus similaires que les signaux des blocs non correspondants.

L'expérience s'est déroulée dans deux contextes distincts. D'abord, chaque personne effectuait la tâche de tapotement seule dans une pièce calme. Plus tard, les paires ont effectué la même tâche ensemble, assises côte à côte, capables de voir les mains de l'autre bouger, mais avec l'instruction de ne pas parler ni de coordonner délibérément leurs actions. Cette configuration a permis aux chercheurs de comparer les signaux cérébraux de la même personne faisant la tâche seule par rapport à la faisant avec un partenaire, et de comparer les signaux de deux personnes différentes faisant la tâche ensemble plutôt que séparément.

Les résultats ont révélé un tableau clair de la façon dont le cerveau répond à cette simple tâche motrice. Lorsque les gens tapotaient leurs doigts, la partie du cerveau située du côté opposé du corps qui contrôle le mouvement s'illuminait, ce qui est exactement ce que les scientifiques s'attendent à voir. Cela se produisait qu'ils soient seuls ou avec un partenaire. Cependant, une différence significative est apparue lorsqu'ils étaient ensemble. Pendant la session conjointe, la partie du cerveau située du même côté que la main qui tapote est également devenue active. Cela suggère que la simple présence d'une autre personne, observant la même tâche, modifie la façon dont le cerveau exécute le mouvement, recrutant des zones supplémentaires qui restent calmes lorsque nous agissons seuls.

Les découvertes les plus surprenantes sont venues de l'analyse de la correspondance des signaux cérébraux. Lorsque les chercheurs ont examiné les données des personnes effectuant la tâche seules, l'outil de mesure n'a pas réussi à distinguer les blocs correspondants des blocs non correspondants. Même si le timing des tapotements était strictement contrôlé et que les différents blocs avaient des structures différentes, les signaux cérébraux ne montraient pas de motif de similitude clair que l'outil puisse détecter. Les signaux étaient trop variables pour faire la différence.

L'histoire a complètement changé lorsque les participants ont effectué la tâche ensemble. Lors de la session conjointe, l'outil de mesure a identifié avec succès les blocs correspondants. Les signaux cérébraux des périodes ayant la même structure temporelle montraient une connexion beaucoup plus forte que ceux avec des structures différentes. Cet effet était le plus marqué dans les régions motrices du cerveau. Crucialement, cette amélioration de la détection ne se produisait pas seulement entre les deux personnes, mais aussi au sein de la même personne. Lorsqu'un individu seul effectuait la tâche en présence d'un partenaire, ses propres signaux cérébraux devenaient plus cohérents et plus faciles à faire correspondre avec d'autres blocs similaires.

Cette découverte remet en question l'idée que la synchronie cérébrale est une mesure simple et indépendante du contexte. Les chercheurs ont découvert que la présence sociale d'un partenaire modifiait la nature même des signaux cérébraux individuels. La présence du partenaire semblait rendre la réponse du cerveau à la tâche plus cohérente et organisée. Par conséquent, l'outil utilisé pour mesurer la synchronie est devenu beaucoup plus sensible. Il ne s'agissait pas que les deux personnes se "synchronisaient" soudainement de manière magique, ce qui n'existait pas auparavant ; plutôt, le contexte social modifiait les signaux individuels eux-mêmes, rendant les motifs de timing sous-jacents plus visibles pour la mesure.

L'étude a également examiné l'efficacité de l'outil lorsqu'il comparait deux personnes différentes. Lorsque les partenaires étaient testés séparément, l'outil n'a trouvé que très peu de preuves que leurs signaux cérébraux correspondaient selon la structure de la tâche. Cependant, lorsqu'ils effectuaient la tâche ensemble, l'outil a détecté une augmentation claire des signaux correspondants, particulièrement dans les zones motrices. Cela confirme que, bien que les tâches partagées puissent créer une certaine similitude dans l'activité cérébrale, l'acte d'être ensemble dans le même espace amplifie considérablement cet effet.

Ces résultats suggèrent que lorsque nous voyons deux cerveaux bouger en synchronie, nous ne pouvons pas supposer qu'il s'agit uniquement le résultat d'un lien interpersonnel profond ou d'une liaison neurale directe. L'environnement social façonne lui-même les signaux. La présence d'une autre personne peut changer la façon dont le cerveau d'un individu traite une tâche, rendant les signaux plus cohérents et plus faciles à détecter comme synchronisés. Cela signifie que les mesures de la synchronie cérébrale ne sont pas seulement une fenêtre sur l'espace entre deux personnes, mais aussi un reflet de la façon dont le cerveau de chaque personne fonctionne au sein de ce moment social spécifique.

Les chercheurs concluent que les outils utilisés pour mesurer la connexion cérébrale doivent être interprétés avec prudence. Ils ne sont pas des règles neutres qui donnent la même lecture quel que soit le contexte. Au contraire, ils sont sensibles au contexte fonctionnel et social dans lequel le cerveau travaille. L'étude démontre que la co-présence sociale peut altérer la dynamique temporelle des signaux neuraux individuels, changeant efficacement la matière première sur laquelle les mesures de synchronie sont construites. Cette intuition est vitale pour comprendre l'interaction humaine, nous rappelant que le cerveau ne fonctionne pas dans le vide. Lorsque nous nous connectons avec les autres, nos cerveaux ne font pas que se lier ; ils changent. L'acte même d'être ensemble remodèle le paysage neural, créant un signal plus cohérent et synchronisé qui reflète la complexité de l'expérience humaine partagée.