Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions

Chaque jour, un animal est confronté à une question simple mais cruciale : par quel chemin dois-je passer ? Pour y répondre, il doit recueillir des indices de l'environnement qui l'entoure, les peser par rapport à ce qu'il a appris, et faire un choix. Pendant des décennies, les scientifiques étudiant ces décisions ont souvent supposé que le cerveau fonctionne comme une machine unique et constante, traitant l'information de la même manière à chaque fois qu'un choix est fait. Mais en réalité, l'esprit est bien plus fluide. Tout comme une personne peut parfois se concentrer intensément sur un puzzle et d'autres fois s'appuyer sur une intuition ou une habitude, les animaux passent d'une stratégie interne à une autre pour résoudre le même problème. Parfois, ils suivent attentivement les preuves ; d'autres fois, ils tombent dans un schéma consistant à favoriser un côté plutôt qu'un autre, quels que soient les indices. La grande question était : le cerveau modifie-t-il son câblage pour soutenir ces différents modes de pensée, et si oui, quelles parties du cerveau sont responsables de maintenir l'animal sur la bonne voie ?

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de cartographier ce paysage caché de la prise de décision dans le cerveau de la souris. Ils ont porté leur attention sur une tâche spécifique où les souris naviguent dans un labyrinthe virtuel en forme de T. À mesure que les souris avancent, elles voient une série de tours visuelles apparaître soit à gauche, soit à droite du chemin. L'objectif est simple : se souvenir de quel côté il y avait le plus de tours et se diriger vers celui-ci pour obtenir une récompense. Les chercheurs ont recueilli des données provenant de dizaines de souris, les observant accomplir cette tâche sur des milliers d'essais. Pour comprendre comment le cerveau fonctionne, ils ne se sont pas contentés d'observer les souris ; ils ont également utilisé une technique appelée optogénétique. Cette méthode permet aux scientifiques de réduire temporairement le silence de groupes spécifiques de cellules cérébrales grâce à un flash de lumière, ce qui revient à éteindre un interrupteur dans le cerveau pour voir ce qui se passe lorsque cette partie cesse de fonctionner. En combinant ces interruptions par la lumière avec des enregistrements de l'activité cérébrale, l'équipe a pu tester comment différentes régions du cerveau contribuent au processus de prise de décision.

La première étape consistait à déterminer quel type de pensée les souris adoptaient à un moment donné. Les chercheurs ont analysé les choix faits par les souris lorsqu'elles n'étaient pas interrompues par la lumière. Ils ont découvert que les souris n'utilisaient pas une seule stratégie fixe. Au lieu de cela, elles oscillaient entre trois états mentaux distincts. Dans le premier état, les souris étaient pleinement engagées, prêtant une attention particulière aux tours et laissant les preuves guider leur choix. Dans les deux autres états, les souris étaient désengagées. Dans ces moments, elles ignoraient largement les tours et développaient plutôt une forte habitude de tourner soit à gauche, soit à droite, peu importe ce qu'elles voyaient. Ces états n'étaient pas éphémères ; une fois qu'une souris entrait dans l'un d'eux, elle avait tendance à y rester pendant de nombreux tours consécutifs, parfois plus de trente essais. Cette découverte a confirmé que le cerveau ne traite pas seulement des données ; il adopte différents modes de fonctionnement qui persistent dans le temps.

Une fois ces trois états identifiés, les chercheurs ont ensuite cherché à savoir ce qui se passait lorsqu'ils réduisaient au silence différentes parties du cerveau. Ils ont ciblé des dizaines d'emplacements sur la surface supérieure du cerveau, appelée cortex, et ont observé comment les choix des souris changeaient. Les résultats ont été frappants et dépendaient entièrement de l'état mental de la souris. Lorsqu'une souris était dans l'état engagé, guidé par les preuves, le silence de la partie frontale du cerveau faisait qu'elle perdait sa concentration. La souris cessait d'écouter les tours et commençait à deviner, développant souvent un fort biais vers un côté. Cependant, lorsqu'une souris était déjà dans un état désengagé et biaisé, le silence de la même partie frontale du cerveau produisait l'effet inverse. Cela réduisait en fait la tendance préexistante de la souris à favoriser un côté, rendant le biais moins extrême. Ce résultat paradoxal a montré que la partie frontale du cerveau agit comme un centre de contrôle essentiel pour maintenir la concentration lorsqu'un animal essaie de faire ce qu'il faut, mais que son retrait peut parfois réduire l'intensité d'une distraction, même s'il ne restaure pas pleinement la capacité de l'animal à utiliser les preuves.

Les chercheurs ont également étudié le moment de ces interruptions. Ils ont constaté que le silence de la partie frontale du cerveau avait l'impact le plus fort lorsqu'il se produisait plus tard dans l'essai, juste avant que la souris ne doive effectuer son virage. Cela suggère que les régions frontales du cerveau sont cruciales pour garder la décision à l'esprit et exécuter le choix final, surtout lorsque l'animal essaie d'être précis. En revanche, lorsque les chercheurs faisaient taire la partie arrière du cerveau, les effets étaient différents. Ces zones semblaient jouer un rôle plus important lorsque l'animal était dans un état biaisé et désengagé, aidant peut-être à maintenir ces habitudes ou à traiter l'historique des récompenses passées.

Pour avoir une vue d'ensemble, l'équipe a également enregistré l'activité électrique du cerveau sur toute sa surface à l'aide d'une caméra à champ large. Ils ont découvert que la partie frontale du cerveau était beaucoup plus active lorsque les souris étaient dans l'état engagé par rapport à l'état biaisé. De plus, lorsqu'ils tentaient de prédire le choix de la souris en fonction de l'activité cérébrale, les régions frontales étaient les meilleurs prédicteurs pendant l'état engagé, tandis que les régions postérieures étaient plus informatives pendant l'état biaisé. Cela a confirmé que le cerveau se réorganise en fonction de la stratégie utilisée. Le front du cerveau est la clé pour rester concentré et faire un choix basé sur les preuves actuelles, tandis que d'autres zones prennent la direction lorsque l'animal retombe sur ses habitudes.

Ces découvertes suggèrent que le cerveau n'est pas une machine statique avec des parties fixes effectuant des tâches fixes. Au contraire, c'est un système dynamique qui reconfigure ses connexions et ses schémas d'activité en fonction de la manière dont l'animal aborde un problème. La partie frontale du cerveau émerge comme un carrefour critique pour maintenir une stratégie engagée et basée sur les preuves, agissant comme un garde contre la tendance à tomber dans de simples biais. Lorsque ce garde est absent, l'animal perd son chemin, mais curieusement, son retrait peut parfois réduire l'intensité d'une distraction, bien que cela ne ramène pas nécessairement l'animal à une performance optimale. Ce travail offre une vision plus claire de la façon dont la dynamique cérébrale à grande échelle change pour soutenir différentes manières de penser, révélant que le chemin vers une décision dépend autant de la stratégie actuelle du cerveau que des preuves présentes devant lui.