A frontal cortical world model shapes inference of causal relationships in hippocampus

Résumé technique : Un modèle de monde cortical frontal façonne l'inférence des relations causales dans l'hippocampe

Problème et motivation
Le raisonnement causal nécessite d'inférer ce qui conduit à quoi à partir d'observations incomplètes et ambiguës. Alors que les animaux et les humains peuvent apprendre des relations de cause à effet à partir d'expériences uniques, la nature de ces inférences dépend des hypothèses ou des « modèles » sous-jacents que l'on détient sur la structure causale de l'environnement. Les auteurs distinguent deux composantes : une structure relationnelle, qui encode des relations de cause à effet spécifiques, et un modèle de monde abstrait, qui encode les principes génératifs régissant la formation et l'interprétation de ces relations. Bien que l'hippocampe soit connu pour construire des cartes relationnelles dans les domaines spatiaux et conceptuels, et que le cortex préfrontal latéral (LPFC) soit impliqué dans la représentation de règles abstraites, il reste peu clair comment ces régions interagissent pour soutenir l'inférence causale à partir de données éparses. Plus précisément, on ignore si l'hippocampe représente la nature directionnelle des relations causales ou simplement des associations statiques, et comment un modèle de monde abstrait guide l'inférence de liens causaux non observés.

Méthodologie
L'étude a employé un nouveau paradigme d'inférence causale en une seule étape (one-shot) combiné à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et à la stimulation par ultrasons transcrâniens (TUS).

• Conception de la tâche : Les participants (n=32 pour l'IRMf ; n=20 pour la TUS) ont réalisé une tâche où ils devaient inférer si des fruits ou des composés de fruits spécifiques provoquaient des réactions allergiques. Crucialement, chaque fruit n'apparaissait qu'une seule fois, empêchant l'apprentissage associatif incrémental et forçant le recours à des modèles internes. La tâche comprenait quatre types d'essais :

  • Blocage arrière (Backward Blocking - BB) : Un composé (XY) provoque un résultat, suivi d'un composant seul (X) provoquant le résultat. Les participants doivent inférer le statut de Y.
  • Occultation (Unovershadowing - UO) : Un composé (XY) provoque un résultat, mais le composant (X) ne le provoque pas. Les participants doivent inférer que Y est causal.
  • Essais à deux causes : Deux fruits individuels provoquent indépendamment le résultat, conçus pour faire passer le modèle de monde du participant d'une hypothèse de « une cause » à une hypothèse de « deux causes ».
  • Absence de cause (Contrôle) : Ni le composé ni le composant ne provoquent de résultat.
    Les participants fournissaient des évaluations d'objets non observés avant et après l'observation des résultats, permettant ainsi de mesurer les « mises à jour expérimentées » (apprentissage) et les « mises à jour inférées » (inférence).

• Modélisation computationnelle : Un modèle normatif bayésien a été développé pour simuler la manière dont une distribution a priori sur les structures causales (le modèle de monde) combine les observations pour mettre à jour les croyances sur les causes non observées.

• Neuroimagerie (Expérience 1) : Les données d'IRMf ont été analysées à l'aide de modèles linéaires généraux (GLM) pour identifier les régions suivant les mises à jour expérimentées vs inférées. L'analyse de similitude de représentation (RSA) et les analyses de suppression de répétition ont été utilisées pour examiner comment les identités d'objets et les structures relationnelles sont représentées dans le cerveau.

• Intervention (Expérience 2) : La stimulation par ultrasons transcrâniens (TUS) bilatérale a été utilisée pour perturber transitoirement le sillon frontal inférieur (IFS) et l'hippocampe (HC) lors de sessions distinctes. Cela a permis de tester causalement les rôles dissociables de ces régions dans l'apprentissage et l'inférence.

Résultats clés

1. Résultats comportementaux :

   • Les participants ont présenté des effets de blocage arrière et d'occultation robustes, mettant à jour leurs évaluations causales d'objets non observés conformément à un modèle bayésien.
   • L'exposition aux essais de « deux causes » a déplacé le modèle de monde des participants. Par conséquent, l'ampleur de l'effet de blocage arrière a été atténuée lors des essais suivants, indiquant que le modèle de monde abstrait façonne dynamiquement l'interprétation de l'évidence causale spécifique.

2. Corrélats neuraux de l'apprentissage vs l'inférence :

   • Apprentissage (Mise à jour expérimentée) : L'activité dans le cortex orbitofrontal latéral (LOFC), le cortex préfrontal latéral (LPC), le cortex cingulaire antérieur dorsal (dACC), l'insula, la substance noire (SN) et l'aire tegmentale ventrale (VTA) était corrélée aux mises à jour basées sur l'observation directe.
   • Inférence (Mise à jour inférée) : L'ampleur de la mise à jour inférée était spécifiquement corrélée à l'activité dans le sillon frontal inférieur (IFS). L'activité de l'IFS était plus forte dans les essais nécessitant une forte inférence (UO) et était modulée par le modèle de monde (plus forte dans les essais BB avant l'exposition aux deux causes).

3. Représentation du modèle de monde :

   • La RSA a révélé que l'IFS droit encodait la croyance par essai du participant concernant la structure causale (la probabilité d'une hypothèse à une cause vs deux causes). Cette représentation dictait la nature de l'inférence.

4. Réactivation et cartographie relationnelle :

   • Identité de l'objet : Le gyrus occipital fusiforme (OccFG) maintenait des représentations stables de l'identité de l'objet. La réactivation de l'objet inféré dans l'OccFG se produisait durant la phase de révision et était liée à l'activité de l'IFS.
   • Structure relationnelle : L'hippocampe (HC) ne représentait pas l'identité statique de l'objet, mais une structure relationnelle dynamique. Dans les essais BB, la distance de représentation entre le composé et l'objet causal (expérimenté) diminuait, tandis que la distance vers l'objet non causal (inféré) augmentait. Dans les essais UO, ce schéma s'inversait. Cette mise à jour géométrique dans l'HC était corrélée à l'activité de l'IFS, suggérant que l'IFS guide le remappage des relations causales dans l'hippocampe.

5. Dissociation causale par TUS :

   • Perturbation de l'HC : La stimulation de l'HC a altéré à la fois l'apprentissage (mises à jour expérimentées) et l'inférence (mises à jour inférées), mais n'a pas modifié le schéma de l'inférence. La corrélation entre l'apprentissage et l'inférence est restée intacte, suggérant que l'HC fournit le substrat relationnel nécessaire aux deux processus.
   • Perturbation de l'IFS : La stimulation de l'IFS a laissé l'apprentissage relativement intact mais a sélectivement altéré l'inférence. Crucialement, elle a aboli la corrélation négative entre les mises à jour expérimentées et inférées (le schéma standard de blocage arrière). Cela indique que l'IFS est nécessaire pour implémenter le calcul inférentiel lui-même, probablement en encodant le modèle de monde qui contraint l'interprétation des observations.

Signification et revendications
L'article prétend démontrer que l'inférence causale est implémentée par l'activité coordonnée de systèmes neuraux dissociables mais complémentaires :

• L'hippocampe instancie la structure relationnelle, encodant une carte des relations de cause à effet spécifiques qui est dynamiquement mise à jour selon les nouvelles preuves. Il soutient l'inférence en fournissant le substrat représentationnel des relations causales, mais n'effectue pas le calcul inférentiel lui-même.
• Le sillon frontal inférieur (IFS) encode un modèle de monde abstrait (principes génératifs de la structure causale). Cette région guide le processus d'inférence en déterminant comment les preuves observées sont interprétées pour inférer des relations non observées.

L'étude conclut que le raisonnement causal flexible à partir de données éparses repose sur l'encodage par l'IFS d'un modèle de monde qui façonne les mises à jour des cartes relationnelles dans l'hippocampe. Cela remet en question la vision selon laquelle l'hippocampe réalise directement l'inférence, proposant plutôt que l'IFS maintient la connaissance relationnelle sur laquelle les calculs inférentiels du cortex préfrontal opèrent.