Predictive Grid Cell Coding Does Not Require Explicit Planning

Au plus profond du système de navigation du cerveau se trouve une petite région appelée cortex entorhinal médial, un endroit où le cerveau construit une carte mentale du monde. Depuis des décennies, les scientifiques savent que cette zone contient des « cellules de grille », des neurones qui s'activent selon un motif hexagonal répétitif à mesure qu'un animal se déplace dans l'espace, agissant ainsi comme un système de coordonnées interne. Plus récemment, des chercheurs ont découvert un sous-ensemble spécial de ces cellules qui semblent s'activer non seulement là où l'animal se trouve actuellement, mais aussi là où il est sur le point d'être. Cette activation « prédictive » suggérait que le cerveau pourrait constamment anticiper, simulant des trajectoires futures pour aider à la planification d'un itinéraire vers un objectif. Cependant, une question persistante demeurait : cette capacité de projection dans le futur est-elle un outil dédié à la planification, ou est-elle simplement un sous-produit de la manière dont la carte du cerveau se met à jour ?

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de répondre à cela en observant le cerveau de deux manières très différentes : premièrement, en réexaminant des enregistrements réels provenant de cerveaux de rats explorant une pièce et, deuxièmement, en entraînant des réseaux de neurones artificiels à effectuer la même tâche de suivi de mouvement sans aucune instruction pour planifier l'avenir. Ils ont découvert que ces « cellules de grille prédictives » apparaissent naturellement dans le cerveau réel du rat, même lorsque l'animal erre simplement sans destination précise en tête. Plus surprenant encore, ils ont découvert que le même type de cellules tournées vers l'avenir émergeait dans les réseaux artificiels, bien que ces réseaux n'aient jamais été enseignés pour planifier ou prédire l'avenir. Les réseaux artificiels avaient seulement pour tâche de mettre à jour leur position en fonction du mouvement, et pourtant, ils ont spontanément développé des unités qui s'activaient comme si elles regardaient vers l'avant dans le temps.

Les chercheurs ont testé si ces cellules prédisaient réellement l'avenir ou si elles ne faisaient que réagir au passé. Ils ont découvert que l'activité de ces cellules spécifiques dépendait fortement de la direction dans laquelle l'animal se déplaçait. Si deux trajectoires se croisaient au même endroit mais que l'animal se dirigeait dans des directions différentes, ces cellules s'activaient différemment, montrant qu'elles suivaient la trajectoire de devant, et non simplement l'emplacement actuel. Cela suggère que les cellules encodent une trajectoire. L'étude a également révélé que ces cellules prédictives chevauchent souvent un autre type de cellule dans le réseau qui ressemble à une rayure ou une bande, ce qui aide à maintenir la stabilité de la carte. Cela a conduit les auteurs à proposer que ces cellules tournées vers l'avenir pourraient ne pas être un module de planification distinct, mais plutôt une partie fondamentale du mécanisme qui maintient la précision et la progression de la carte cérébrale.

Pour voir si ce mécanisme existe même lorsque le cerveau ne navigue pas activement, l'équipe a examiné des données de rats pendant leur sommeil. Ils ont trouvé une signature ténue mais claire de ce codage prédictif pendant le sommeil, suggérant que le cerveau continue de faire tourner ces simulations prospectives même lorsque l'animal se repose. Les résultats remettent en question l'idée selon laquelle le cerveau aurait besoin d'un objectif spécifique ou d'un plan conscient pour générer ces signaux tournés vers l'avenir. Au lieu de cela, il semble que la capacité d'anticiper l'étape suivante soit intégrée dans le circuit même qui permet au cerveau de savoir où il se trouve dès maintenant. L'étude suggère que la carte du cerveau n'est pas une image statique du présent, mais un système dynamique qui se met constamment à jour en projetant un instant dans le futur, un processus qui se produit que l'animal planifie un voyage ou qu'il soit simplement en train de dormir.