Notre cerveau joue aux dés (2/2)

Je vous ai parlé dans mon dernier billet de la façon dont, face à une image ou un son ambigu, notre cerveau utilisait le hasard et les probabilités pour « tirer » aléatoirement une interprétations possible du signal. Un peu à la manière d’un système de particules intriquées où le hasard est le seul à définir l’état dans lequel on observe le système parmi tous les états probables. L’analogie  entre neurosciences et physique quantique est tentante, mais elle a ses limites. Une fois qu’un système quantique a été observé, il est irréversiblement modifié et réduit à une de ses valeurs propres. Les mesures ultérieures sur ce système donneront ensuite toujours la même valeur. Il en va tout autrement pour notre cerveau, puisqu’après qu’il ait donné une réponse, on peut sans problème lui demander un deuxième choix. C’est d’ailleurs cette possibilité qui a permis d’explorer encore plus loin son fonctionnement intime…

Notre attention est aussi l’objet du hasard…

Que se passe-t-il quand on s’entraîne à détecter un signal très furtif et que l’on se trompe mettons 20% des fois. La réponse semble à peu près évidente: on avait simplement mal vu le signal dans 20% des cas. Mais puisqu’on a appris à se méfier des évidences, on peut aussi imaginer un scénario alternatif. Puisque le hasard guide nos réponses conscientes, on peut supposer qu’on n’a ni mieux ni moins bien vu ce qui se passait lors des essais ratés. Simplement pour tous les essais, on n’aurait jugé le bon résultat probable qu’à 80% en moyenne. Selon ce scénario audacieux, l’incertitude des réponses ne se concentrerait pas sur les essais ratés, mais elle se nicherait au cœur de chacun des essais, y compris quand ils sont réussis. Comment savoir si la variabilité de nos réponses est inter-essais ou intra-essais?

Pour le savoir une équipe du MIT a demandé à des volontaires de s’entraîner à repérer certaines lettres entourées d’un cercle, parmi une série qui défilait rapidement. Les sujets devaient donner la lettre qu’ils pensaient être la bonne, puis devaient donner un second choix, puis un troisième etc. Le raisonnement des chercheurs a été le suivant:
– Si on se trompe parce qu’on a mal vu certains essais, les deuxièmes choix des essais ratés devraient être très biaisés.
– Si on se trompe à cause de l’incertitude propre à chaque essai, les premiers et les deuxièmes choix devraient suivre la même loi de distribution centrée autour de la réponse exacte, aussi bien pour les essais réussis que pour les essais ratés.

L’analyse de la distribution des deuxième choix pour les essais ratés penche très clairement en faveur de la deuxième hypothèse. Aussi bizarre que ça puisse paraître, premiers, deuxièmes et troisièmes choix semblent effectivement être le résultat d’un tirage aléatoire sur une distribution de probabilités parfaitement centrée autour de la bonne réponse!

D’après Vul & al (2009) Attention as Inference: Selection Is Probabilistic; Responses Are All-or-None Samples.

Tout comme nos perceptions sensorielles, nos réponses attentionnelles semblent donc elles aussi déterminées aléatoirement parmi l’ensemble des réponses probables. Mais contrairement à un système quantique (dont la mesure ne fournit qu’un seul état parmi tous les états possibles), il suffit de poser la question pour connaître les différentes réponses envisagées par notre cerveau.

La sagesse des foules… dans sa tête!

Pourquoi s’arrêter en si bon chemin? La même équipe du MIT s’est demandé si on ne pourrait envisager que notre cerveau fonctionne de la même façon probabiliste lorsqu’il s’agit de fournir un jugement ou une opinion. Il faudrait alors considérer que ce que notre cerveau considèrerait comme notre » meilleure réponse » (best guess) serait non pas la réponse la plus vraisemblable, mais une des réponses possibles, choisie avec une probabilité égale à son degré de vraisemblance.  Je ne sais pas si vous voyez à quelle point cette idée est contre-intuitive: par définition, le « best guess » est la réponse que l’on imagine être la plus vraisemblable. Or ce modèle prédit paradoxalement qu’on maximise ses chances de tomber juste en moyenne si l’on prend la moyenne de ses choix de premier, de deuxième et de troisième ordre!

Les chercheurs ont interrogé 430 volontaires sur une question difficile (« Quel pourcentage d’aéroports dans le monde se trouve aux Etats-Unis? »). Après qu’ils aient donné leur réponse (dont le degré d’erreur est mesuré par les colonnes bleues), on leur demande une deuxième réponse (Guess 2, colonnes marron) soit immédiatement (colonnes de gauche) soit trois semaines plus tard (colonne de droite), les sujets n’étant évidemment pas informés qu’on allait les réinterroger sur le sujet.

On constate sans surprise que cette deuxième réponse est moins précise que la première (les colonnes marron sont plus hautes). Jusque là tout est normal puisque la première réponse est celle que le sujet croit la plus exacte. Mais ce qui est plus étrange c’est que la moyenne des deux réponses (colonnes vertes) est beaucoup plus proche de la réalité que la première réponse! Exactement comme le modèle probabiliste l’avait prédit.

Ca ne vous rappelle rien? C’est bien sûr un phénomène analogue à celui de la sagesse des foules dont je vous ai déjà parlé dans ce billet. Comme Galton l’avait découvert au XIXeme lors d’une foire aux bestiaux, l’estimation d’une valeur par de très nombreuses opinions indépendantes est statistiquement plus exacte que celle du meilleur expert. Sauf qu’ici, la foule serait notre propre cerveau qui, après avoir évalué la vraisemblance de chaque réponse possible, tirerait autant de fois que l’on veut une de ces réponses parmi cette distribution de probabilités.

Comme on le voit sur le graphique, l’effet est encore plus marqué lorsque la deuxième réponse est demandée trois semaines plus tard, sans doute parce que les personnes sont moins influencées par leur première réponse après un long délai entre les deux introspections. C’est la même règle que celle qui prévaut lorsqu’on interroge de nombreuses personnes: pour éviter le biais collectif, la prédiction n’est statistiquement bonne que si les personnes interrogées ignorent l’opinion des autres (autrement elles risquent de se fier aveuglément à l’opinion générale).

Combien de personnes logent dans mon crâne?

On peut pousser l’analogie encore plus loin et se demander à combien de personnes correspondrait cette introspection répétée. On sait comment la précision de la réponse  évolue statistiquement en fonction du nombre de personnes interrogées. A partir de cette loi, on peut donc calculer, à combien de personnes équivaut cette sagesse des foules propre à notre cerveau: une deuxième réponse immédiate correspond à l’interrogation de 1,1 personnes et une réponse trois semaines plus tard fournit la même précision que 1,3 personnes interrogées.

Comme pour la sagesse des foules classiques, on voit tout l’intérêt d’une introspection répétée « à froid », au moment de porter des jugements ou de prendre des décisions. La première intuition est certes souvent la bonne, mais les réflexions ultérieures peuvent la nuancer utilement. L’analogie avec la sagesse des foules fait aussi écho aux observations de Thomas Seeley (voir ce billet) au sujet des similitudes entre le fonctionnement d’un cerveau et celui d’un essaim d’abeilles en train de choisir son futur nid. Là encore la compilation des expressions de chaque abeille éclaireur fait émerger presque à tous les coups la meilleure solution. Rien ne vaut le collectif pour prendre une bonne décision!

Sources:
Vul & al. (2009) Attention as Inference: Selection Is Probabilistic; Responses Are All-or-None Samples (pdf)
Vul & Pashler (2008) Measuring the crowd within (pdf)

Billets connexes
Le billet précédent, pour ceux qui ont raté le début
Etrange perspicacité collective sur le phénomène de sagesse des foules
Les abeilles ça déménage (2/2) où on fait l’analogie inverse: l’essaim, comme modèle de cerveau virtuel

Notre cerveau joue aux dés!

 vez-vous vu Un Jour sans Fin, le film dans lequel Bill Murray se retrouve prisonnier d’une journée qu’il revit sans arrêt? Le film est drôlissime car Bill Murray, à force, connaît exactement la manière dont chaque personnage va réagir à ses propos ou à ses actes. Ce qui pose une question intéressante: notre comportement est-il totalement déterminé face à une situation donnée ou bien existe-t-il une dose d’imprévu dans nos réactions? Intuitivement on penche pour la deuxième hypothèse, on n’est pas des machines quand même! – mais comment le prouver? Et surtout quelle serait la nature de ce petit facteur d’imprévisibilité présent en nous, qui fait toute la différence entre un robot et un être humain? Grâce à d’astucieuses expériences en psychologie cognitive que j’ai découvertes dans le dernier cours de Stanislas Dehaene au Collège de France, on commence à avoir une petite idée sur la question…

Perception bistable

Les illusions d’optiques sont très utiles pour comprendre comment notre cerveau interprète la réalité. Prenez la fameuse image de la danseuse qui tourne sur elle-même. On a l’impression qu’elle tourne tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre.

Il est très difficile de maîtriser consciemment le sens dans lequel on la voit tourner et le moment où on bascule d’une interprétation à l’autre. Mais le plus étrange c’est qu’à aucun moment nous n’avons conscience de la moindre ambiguïté: on est sûr de la voir tourner comme ceci ou comme cela. L’ambiguïté n’apparaît qu’après coup, quand on se rend compte que notre point de vue a changé alors que le film est toujours le même. On retrouve cette oscillation de notre perception entre deux interprétations possibles (que l’on appelle perception bistable) dans pas mal d’illusions classiques :

Quelques illusions célèbres

Dans toutes ces images, on voit tantôt une chose, tantôt une autre mais jamais un mélange des deux en même temps, comme si notre mode d’interprétation de la réalité fonctionnait en mode « tout ou rien ».

L’illusion existe aussi avec des signaux sonores! Les enfants savent bien qu’à force d’entendre répéter en boucle ton chat – ton chat – ton chat… on finit par entendre chaton-chaton-chaton… (pour prendre un exemple poli  . Des chercheurs du CNRS ont fabriqué un petit montage audio dans lequel on entend tantôt un seul son qui monte et qui descend, tantôt deux signaux distincts qui s’alternent. Les transitions d’une interprétation à l’autre suivent exactement les mêmes lois que pour les illusions visuelles

Des dés dans la tête?

Comment le cerveau « choisit-il » telle ou telle interprétation et surtout pourquoi ne reste-t-il pas fixé une bonne fois pour toutes sur son premier choix? Une hypothèse intéressante serait  que notre cerveau passe automatiquement en revue chaque interprétation possible et lui attribue un degré de vraisemblance. L’interprétation retenue à instant donné serait non pas la plus probable mais une interprétation tirée au sort parmi toutes les possibles, avec d’autant plus de chance d’être choisie qu’elle est vraisemblable. Ainsi s’expliqueraient les bascules d’une interprétation à l’autre: plus on fixe longtemps un signal ambigu, plus on a de chances de tirer au sort différentes interprétations. Un tel modèle prédit que ces changements sont imprévisibles et que le délai entre deux bascules soit suivre une loi de distribution bien particulière, propre aux tirages stochastiques. On a pu constater que cette prédiction est très raccord avec les mesures expérimentales (on demandait à des volontaires de regarder une telle image et d’appuyer sur un bouton tout le temps qu’ils percevaient telle interprétation plutôt qu’une autre):

 

Source:  Moreno-Bote & al. Bayesian sampling in visual perception (2011)

Le test du modèle…

Très récemment, des chercheurs ont confirmé de façon encore plus flagrante cette hypothèse d’un tel « tirage aléatoire » entre les différentes interprétations, chacune ayant une probabilité correspondant à sa vraisemblance relative. Ils ont utilisé l'expérience suivante: deux grilles orientées différemment (par exemple /// et \\\ ) se déplacent dans des directions différentes. C’est tantôt une grille tantôt l’autre qui semble être au premier plan. Les chercheurs ont observé que, toutes choses égales par ailleurs, plus une grille a des barreaux serrés par rapport à l’autre, plus on la voit en dessous de l’autre. Et pareil si une grille va plus vite que l’autre et on peut mesurer le biais de perception induit par chaque facteur pris isolément. Si notre cerveau fonctionne effectivement en combinant des tirages probabilistes, alors on peut prédire à partir de ces mesures empiriques ce que les sujets percevront quand on combine les deux facteurs. Les calculs collent spectaculairement avec les résultats de l’expérience.

source: d'après Moreno-Bote & al. Bayesian sampling in visual perception (2011)

Face à un signal sensoriel ambigu (mais quel signal ne l’est pas?), notre interprétationsemble donc être le résultat d’un tirage au sort parmi toutes les interprétations possibles. La durée durant laquelle on privilégie une interprétation plutôt qu’une autre est directement proportionnelle à sa vraisemblance.

L’analogie quantique

On verra dans le prochain billet à quel point notre cerveau use et abuse de cette procédure stochastique. Aussi étrange que cela puisse paraître, la plupart de nos réponses conscientes (perceptions, jugements, opinions…) se décident sur la base d’un tirage  aléatoire parmi les différentes réponses possibles en fonction de leur vraisemblance subjective. En somme, l’aléatoire fait partie intégrante de nos comportements quotidiens. Bonne nouvelle pour Bill Murray! Cela signifie que même si elle se répète indéfiniment, sa journée en boucle lui réserve forcément des surprises!

Je n’aime pas beaucoup les analogies faciles entre l’indétermination quantique et celles du monde -macroscopique- qui nous entoure, mais pour le coup les similitudes sont flagrantes. A l’image d’un ensemble de particules élémentaires intriquées, on a ici affaire à un système (le cerveau) capable de combiner plusieurs réponses possibles en même temps, mais dont une seule sera observable. Il existe manifestement un processus mental -l’équivalent de la fonction d’onde quantique- attribuant une probabilité à chaque réponse mentale possible. Et comme en physique quantique, le résultat observable est par essence, aléatoire.

 

Mais l’analogie a bien sûr ses limites. Vous ne voyez pas lesquelles? Alors rendez-vous au prochain épisode!

Sources:
Le cours de Stanislas Dehaene sur le cerveau Bayésien, qui a directement inspiré ce billet (en particulier celui du 31 janvier 2012)
Moreno-Bote & al. (2011) Bayesian sampling in visual perception (pdf)

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Les neurones des nombres

Dans ses cours au collège de France que l'on peut podcaster avec bonheur, Stanislas Dehaene nous entraine cette année dans un magnifique voyage au pays des processus mentaux à l'œuvre dans l'arithmétique élémentaire. Il y décortique patiemment les origines et les mécanismes cérébraux de ce "sens du nombre" pour y différencier ce qui relève de la pure invention culturelle et ce qui s'enracine dans des processus mentaux très primitifs. Attachez vos ceintures, ça décoiffe...

Un sens inné du nombre
"On pourrait penser que l’arithmétique n’est qu’une invention culturelle récente
de l’humanité. Pourtant, un sens du nombre est présent chez le nourrisson et de
nombreuses espèces animales".Les perruches, les rats ou les chimpanzés savent par exemple co
mparer deux quantités d'objets et estimer assez correctement laquelle est la plus grande:





Les singes savent additionner (approximativement) des quantités. En 2006, Jessica Cantlon et Elisabeth Brannon, de l'Université de Duke, ont pratiqué le même test d'addition élémentaire avec des singes macaques et avec des étudiants: on présentait aux sujets deux nuages de points (3 points suivis de 5 points par exemple) et il s'agissait de choisir ensuite entre deux propositions, celle qui correspondait le mieux au total. Les performances des deux espèces se sont révélées extrêmement proches, avec un léger avantage quand même pour les étudiants sur le plan de la précision. Mais pas de quoi pavoiser non plus: on a observé plus de différence entre le meilleur étudiant et le moins bon qu'entre la moyenne des étudiants et la moyenne des singes...










Cantlon & Brannon, Psychological Science 2006

La loi de Weber et notre perception logarithmique des quantités

Pour les deux espèces, les résultats présentaient des analogies intéressantes: plus les deux propositions étaient différentes, plus les réactions étaient rapides et les réponses statistiquement correctes (dans les graphiques on a du coup représenté ces performances en fonction du rapport entre les deux nombres proposés). Cet effet de distance, ou loi de Weber, se retrouve chaque fois que l'on estime une quantité: la précision de l'estimation (ou son écart-type) est proportionnelle à la grandeur du nombre, comme si nous percevions le nombre non pas sous forme linéaire mais logarithmique.
(Moyenne et écart-type des estimations sur une échelle logarithmique tirés de Izard et Dehaene, Cognition 2007)

De nombreuses expériences ont montré que les bébés de moins d'un an peuvent également estimer et comparer les quantités. Tout comme les singes, pour discriminer entre deux grands nombres, ce n’est pas le nombre absolu qui compte, mais le rapport entre ces nombres (la fraction de Weber). A six mois les bébés sont capables de différencier deux quantités dans un rapport de 1:2 (entre 8 et 16 objets par exemple mais pas entre 8 et 12 objets). A 10 mois ils font la différence entre 8 et 12 objets (rapport de 2:3), au même niveau que les primates.

Certes, direz-vous, mais cet effet de distance n'est-il pas simplement la traduction d'une imprécision de l'estimation? Pour le vérifier, on a demandé à des adultes volontaires de comparer des nombres présentés sous forme de chiffres arabes. Et devinez quoi? Plus les nombres à comparer sont proches, plus la réponse des sujets est lente et leur taux d'erreurs important. Vous avez dit bizarre?


















C'est que notre perception "naturelle" des quantités est plutôt logarithmique que linéaire. Autrement dit, il y a instinctivement plus de différence entre les quantités "2" et "3" qu'entre "9" et "10". Un test pour s'en rendre compte consiste à demander à un enfant où il placerait la quantité 5 sur un segment dont les extrémités sont marquées 1 et 10. L'enfant a tendance à placer le 5 tout près de l'extrémité marquée 10 (parce que "1 c'est pas beaucoup, mais 5 c'est beaucoup et 10 aussi"). A mesure de leur développement, les enfants qui font ce test placent le 5 de plus en plus vers le milieu du segment, comme si leur échelle de représentation des nombres se "linéarisait" (excusez mon jargon, mais c'est vraiment ça).


Le même test pratiqué sur des indiens Mundurucus -qui ont des mots pour les petits nombres mais pas de système de calcul développé- révèle qu'ils ont la même représentation "logarithmique" des quantités que les enfants occidentaux. Dehaene avait déjà émis l'hypothèse qu'apprendre à lire exige que l'on "désapprenne" la symétrie horizontale (p et q ne sont pas équivalents, de même que b et d etc.). Il récidive avec l'arithmétique pour laquelle on peut supposer que l'on troque notre vision logarithmique des quantités pour celle, linéaire, qui sied aux calculs précis.

Estimation et subitisation


Mais la loi de Weber - la perception logarithmique des quantités- n'est pas universelle: elle ne s'applique pas aux toutes petites quantités. Jusqu'à trois objets, on n'estime pas, on "subitise". Traduction: on capture instantanément le nombre exact d'objets d'un simple coup d'oeil avec un très faible taux d'erreur, bien plus faible que ce que prédit la loi de Weber (graphique de Mandler & Schébo, 1982).






Pour vérifier que "subitisation" et "estimation" ne pouvaient se confondre, Suzanna Revkin a accoutumé des volontaires à regarder des nuages toujours composés de dizaines d'objets (10, 20, 30... jusqu'à 90 objets), et leur a demandé d'estimer le nombre de dizaines qu'ils voyaient. Puis elle a comparé leurs performances avec celles obtenues sur des nuages de 1 à 10 points. Si la "subitisation" suivait la loi de Weber, on aurait dû retrouver la même différence de précision entre l'estimation de 1, 2 ou 3 dizaines qu'entre 1, 2 ou 3 points. Et ce n'est pas du tout ce qu'on a observé! La "subitisation" de 1, 2 ou 3 points est bien plus précise que "l'estimation" de dizaines de points et relève donc probablement de mécanisme cérébral assez différent.

Revkin et al, Psychological Science, sous presse

Les deux processus de subitisation et d'estimation se complètent chez l'adulte, mais ils pourraient être antagonistes chez le tout jeune enfant. Une expérience amusante menée en 2002 avec des enfants de moins d'un an, consistait à placer des gâteaux dans des tasses devant eux, et à les laisser se diriger vers la tasse de leur choix (une fois les gâteaux introduits dans les tasses, l'enfant ne voyait plus combien chaque tasse en contenait). L'enfant -motivé pour aller chercher le plus grand nombre de gâteaux- sait bien faire la différence entre 1, 2 et 3 gâteaux. Mais ses performances s'écroulent dès qu'il y a 4 gâteaux, y compris s'il s'agit de comparer 1 et 4 gâteaux. Tout se passe comme si l'enfant confiait entièrement sa décision à un processus de subitisation, et se retrouvait totalement destabilisé par la quantité "4", inaccessible par subitisation. Autrement dit, l'enfant -qui sait par ailleurs estimer les grands nombres- semble avoir des difficultés dans cette expérience à passer de la subitisation à l'estimation, comme si ces deux processus étaient antagonistes au lieu d'être complémentaires l'un de l'autre (graphique tiré de Feigenson, Carey et al, Psych Science 2002; TICS 2004)






















Nombres et espace
De manière assez stupéfiante, notre représentation des quantités est étroitement liée à notre perception de l'espace (les zones du cortex impliquées dans ces deux fonctions sont d'ailleurs très voisines). Les grands nombres sont par exemple systématiquement associés à une direction privilégiée: vers la droite pour les cultures européennes, vers la gauche pour les cultures écrivant de droite à gauche. Cet effet SNARC (pour Spacial Numerical Association of Response Codes) a été mesuré statistiquement dans de nombreuses expériences: on réagit plus vite aux grands nombres avec la main droite, on les repère plus vite s'ils apparaissent dans notre champ visuel droit etc. Et symétriquement pour les petits nombres, associés au côté gauche.

Cette correspondance mentale entre nombre et espace est particulièrement frappante chez les personnes atteintes "d'hémi-négligence spatiale". Une personne atteinte de cette pathologie bizarroïde n'accorde aucune attention à l'une des deux moitiés de son champ visuel: elle ne recopiera par exemple que la moitié droite d'un dessin qu'on lui aura demandé de reproduire. Si on lui demande de couper un segment en son milieu, elle la coupe près de son extrémité droite. Découverte incroyable: cette héminégligence spatiale va de pair avec une héminégligence numérique. Si on demande à cette personne quel nombre tombe au milieu de 11 et 19, elle répondra par exemple 17! Comme si pour notre cerveau, couper mentalement un nombre en deux revenait exactement au même que couper un segment en son milieu...

Cette association inconsciente entre nombre et espace influence également les estimations des sujets sains: nous tendons instinctivement à surestimer le résultat des additions de nuages de points et à sous-estimer celui des soustractions, y compris -même si c'est dans une moindre mesure- pour les opérations avec des symboles numériques.


A l'inverse, on peut tirer parti de cette association entre nombre et espace: les jeux de plateaux avec des dés s'avèrent par exemple être de précieux auxiliaires pour les enfants ayant des difficultés scolaires. Peut-être, suggère Dehaene, parce qu'ils favorisent l'apprentissage d'une ligne numérique mentale, très utile en arithmétique.

Les différents circuits cérébraux de calcul
Depuis 1992, Dehaene a fait l'hypothèse d'un triple code mental pour représenter et manipuler les nombres en fonction de la tâche à réaliser:
- une représentation conceptuelle de la quantité, associée aux ordres de grandeur des nombres et localisée dans les régions pariétales bilatérales du cerveau. Ce sont ces régions qui réagissent de manière inconsciente en fonction de la distance entre deux nombres.
- un codage visuel du nombre, associé à son écriture en chiffres arabes, qui permet par exemple de poser des opérations en colonnes ou de faire des soustractions. Comme pour la reconnaissance des lettres et des formes, ce codage est plutôt localisé dans la zone occipito-temporale gauche du cerveau.
- un codage verbal des nombres, où l'on retiendrait les faits arithmétiques appris par coeur (comme les tables de multiplication), exactement comme on mémorise les poèmes ou les proverbes et pris en charge par les régions du cerveau dédiées au langage.

Elizabeth Spelke en 1999 a illustré la plausibilité de ce modèle en enseignant à des sujets bilingues des faits exacts (par exemple 24+37=61) et des faits approchés (24+37 font environ 60) dans une seule langue. Puis elle a interrogé ces sujets sur les mêmes faits, mais dans l'autre langue: le résultat est que ce changement de langue ralentit considérablement le temps de réponse des personnes sur les faits exacts. Par contre changer de langue n'est pas du tout gênant pour restituer des approximations que l'on a apprises dans une autre langue.

Dans un deuxième temps, on posait aux mêmes sujets une question très voisine de celle apprise. Si la question voisine portait sur un problème exact (par exemple "combien font 25+36?") proche d'un fait appris (24+37=61), la réponse était lente et pas forcément juste. Par contre les sujets n'avaient aucun problème pour faire une approximation voisine d'une approximation apprise.


Tout se passe donc comme si il y avait un découplage presque parfait entre deux systèmes. L'un qui permet d'approximer les quantités et est indépendant du langage. L'autre qui permet de mémoriser des faits arithmétiques exacts -indispensables au calcul mental- et est très dépendant du langage. C'est probablement la raison pour laquelle les immigrés de longue date dans un pays calculent toujours mentalement dans leur langue natale, même s'ils ne la pratiquent plus du tout par ailleurs.

Ce modèle est purement occidental. En Chine par exemple, les opérations de calculs mentaux semblent plutôt associées à des circuits neuronaux touchant la motricité des mains. Ce que l'on peut interpréter comme une mémoire gestuelle de la manipulation extrêmement efficace des bouliers et des abacques, qui dans cette culture servent couramment d'outils pédagogiques dans l'apprentissage de l'arithmétique.

Les différentes formes d'acalculie
L'existence de ces trois processus mentaux distincts (visuel, verbal et sémantique) explique peut-être que l'on rencontre de nombreuses formes différentes d'acalculie en fonction des zones cérébrales lésées. Certains malades sont incapables de multiplier mais peuvent tout à fait soustraire des nombres, les comparer ou les estimer. Ces malades présentent en général des troubles profonds du langage. A l'inverse d'autres malades, dont le cortex intrapariétal a été touché, ont préservé leur capacité de multiplier, mais ont toutes les peines du monde à manipuler les quantités et à dire par exemple quel nombre se trouve entre 2 et 4.

Dehaene et Cohen ont étudié en 2000 le cas d'une patiente atteinte d'alexie (dont les capacités de lecture sont fortement diminuées) se trompant neuf fois sur dix dans la lecture des nombres à 2 chiffres. La patiente, quand on lui présente la soustraction "8-7" lit par exemple "6-4" mais donne le résultat correct "1". Idem pour l'addition ou la division: elle lit mal l'énoncé mais donne le résultat correct de l'opération. En revanche, si on lui présente "5 x 9", elle lit "4 x 6" et donne le résultat "24", comme si le cerveau réagissait prioritairement au problème de multiplication verbalisé, contrairement à ce qui se passe avec les autres opérations. Le modèle du triple code présente le mérite de rendre compréhensible ce type de résultats.

Physiologie du cerveau
Les méthodes d'imagerie médicale par IRM confirment l'activation de différentes zones du cerveau en fonction de la tâche numérique demandée, et particulièrement le rôle de la zone intrapariétale bilatérale, où semble résider le "sens du nombre" quelque soit la forme sous laquelle celui-ci est présenté (symbole numérique, nuage de points, signaux auditifs etc).

Chez l'animal, dès les années 1980, on avait trouvé chez un chat anesthésié (!) des neurones s'activant spécifiquement pour tel ou tel nombre lorsqu'on lui présentait la quantité visuelle ou sonore correspondante. Andreas Nieder -le pape de la neurologie chez l'animal- a, depuis, identifié chez le singe certains neurones déchargeant préférentiellement autour d'une certaine quantité, avec une précision toujours proportionnelle au nombre: revoilà notre fameuse loi de Weber, mais au niveau du neurone maintenant. On trouve ainsi des neurones situés dans la zone homologue à notre sillon intrapariétal, codant autour de 1, d'autres autour de 2, de 3 etc.

La compilation statistique des réactions de tous ces neurones fournit un modèle tout à fait cohérent pour expliquer nos capacités d'estimation numérique. Avec Diester, Nieder a récemment étudié ce qui changeait quand on enseignait au singe les chiffres arabes jusqu'à 6. Les deux chercheurs ont observé que certains neurones codent aussi bien pour 5 points et pour le chiffre 5. Par contre leur courbe de réponse est beaucoup plus "pointue" autour du nombre lorsqu'il est présenté sous forme symbolique.

On ne peut vérifier directement ce phénomène chez l'homme à moins de lui implanter des électrodes dans le crane. Mais on a des indices qu'un phénomène similaire serait à l'œuvre: la présentation de chiffres arabes modifierait et affinerait notre réponse neuronale aux quantités. Cette sélectivité limiterait l'effet de distance et permettrait ainsi une plus grande précision pour les grands nombres. L'acquisition du symbole transformerait ainsi notre conception originellement approximative, continue et logarithmique des quantités, en une représentation des nombres sous formes d'unités discrètes et distribuées linéairement.

Et c'est comme ça que le symbole nous a fait passer d'un monde analogique à un monde numérique...

Les neurones de la musique

Pourquoi aimons nous la musique? Je croyais naïvement au classique refrain de la pure accoutumance culturelle dont la musique est l'exemple parfait, point d'orgue de notre évolution qui cessa un jour d'être génétique pour devenir purement culturelle. Les découvertes récentes en neurologie mettent un bémol à cette vision simpliste...

La musique: un traitement spécifique dans notre cerveau
Contrairement à ce que l'on a longtemps cru, la reconnaissance d'une mélodie semble impliquer des processus cérébraux très distincts de ceux qui traitent le langage ou les bruits en général. Isabelle Peretz, de l'université de Montréal a la première décrit en 2002 le cas de Monica, une femme de 37 ans atteinte d'amusie congénitale. Alors qu'elle ne souffrait d'aucun problème cognitif, d'audition, de mémoire ou de langage et qu'elle avait poursuivi avec succès des études supérieures, Monica était incapable de reconnaître une musique, un tempo ou une chanson. Et pourtant ce n'était pas faute de pression sociale: elle avait été enfant de chœur puis membre d'une chorale, et se rendait compte de son handicap à présent qu'elle venait d'épouser un professeur de musique!

Monica ne pouvait détecter dans une mélodie une fausse note qu'on aurait introduite sciemment ou une faute de rythme. Pourtant elle s'avérait tout à fait capable de reconnaître la voix des présentateurs célèbres ou des bruits familiers comme un aboiement, un klaxon etc. Isabelle Peretz identifia surtout chez cette patiente une incapacité à distinguer finement les petites différences de tonalités. Selon la chercheuse, cette déficience serait la source principale du problème de Monica car cette faculté est fondamentale pour comprendre la "grammaire" musicale d'un morceau."Le système responsable de l’encodage tonal de la hauteur serait un bon exemple de module spécifique à la musique"

Plusieurs circuits neuronaux à l'oeuvre
Toutes les amusies ne se ressemblent pas, selon qu'elles sont d'origine congénitale ou causées par une lésion cérébrale : certains sujets amusiques apprécient correctement le rythme d'une musique, d'autres non. Parfois ils peuvent distinguer la hauteur des notes. Isabelle Peretz a montré sur une jeune femme atteinte d'amusie, qu'elle pouvait discerner en une fraction de seconde si une musique était gaie ou triste alors qu'elle était incapable de reconnaître le moindre morceau connu. Si sur un extrait musical on modifiait le tempo ou le mode (de mineur en majeur), elle percevait facilement le changement émotionnel ainsi créé. Mais si on renouvelait l'expérience en lui demandant cette fois si l'on avait changé la mélodie ou pas, l'exercice -rationnel et non émotionnel- lui paraissait insurmontable.

Ces expériences semblent indiquer que la perception émotionnelle -déclenchée en moins d'une demi-seconde- emprunte des circuits cérébraux assez différents de ceux qui perçoivent et reconnaissent une mélodie (qui demandent plutôt quelques secondes pour réagir). Cette dissociation rappelle celle des personnes atteintes de "prospagnosie": incapables de reconnaître un visage familier elles peuvent sans difficulté juger de l'humeur des expressions faciales (en colère, triste, sévère, gai etc).

Des circuits neuronaux très primaires
Dès les premiers mois -bien avant de maitriser le langage, les bébés sont étonnamment doués pour apprécier un morceau de musique, surtout s'il est diatonique, et pour le reconnaître lorsqu'il est joué plusieurs jours après. Y compris si l'on en change la tonalité ou le rythme, pourvu que l'on en respecte la mélodie. Plus fort encore: les bébés de quelques mois détectent mieux que les adultes non-experts la moindre altération dans la mélodie, qu'elle viole ou non les règles de consonnance habituelles. Comme si l'on naissait doté d'une capacité de discernement musical que l'on perdrait rapidement, exactement comme les enfants perdent en grandissant certaines distinctions phonétiques non utiles pour leur langue natale (entre le "b" et le "v" en espagnol, le "j" et le "ch" en allemand, le "l" et le "r" en japonais...). Les enfants ne retrouvent cette faculté à distinguer les micro-variations consonnantes qu'après un beaucoup d'entrainement à la pratique musicale.

Cette prédisposition innée pour les mélodies de la gamme diatonique se retrouve chez les singes Rhésus. Nos cousins primates sont en effet capables de reconnaître une chanson comme "Old Mac Donald had a Farm", même si elle est transposée d'une ou deux octaves, mais curieusement pas si on la déplace d'une demi-octave ou si on teste une mélodie non diatonique.... Bon, il faut rester prudent, rien ne prouve que ces animaux n'ont pas été habitués incidemment à entendre de la musique durant leur captivité et à l'insu des chercheurs, mais ce genre de découverte pose forcément la question de l'inné et de l'acquis dans notre goût pour la musique. Pour certains chercheurs comme Dowling, l'encodage tonal de la évoqué par Peretz plus haut, "en plus d'être spécifique à la musique, représente des mécanismes universels. Bien que les gammes diffèrent d'une culture à l'autre, elles possèdent toutes des propriétés communes. Par exemple la plupart des gammes sont organisées autour de 5 à 7 tons". Inutile de préciser que ces thèses sont loin de faire l'unanimité.

Sex drug and Rock n'roll
La Bamba vous donne-t-elle envie de vous trémousser compulsivement? Evidemment chacun réagit différemment à une musique selon ses préférences, sa culture etc.mais il n'en reste pas moins que globalement dans toutes les cultures les rythmes rapides, graves et forts sont toujours plus entrainants. Roberto Zatorre, de l'université Mc Gill, a cherché à comprendre cet effet d'entrainement physiologique qui fait que l'on ressent un frisson dans le dos quand on écoute certaines musiques, que sa respiration et son pouls s'accélèrent etc. "Les structures sollicitées sont très semblables aux régions cérébrales qui, chez le rat, s'activent lorsqu'on le soumet à des stimulations sexuelles ou qu'on lui sert de la nourriture alors qu'il a très faim, explique Zatorre. Ce sont des aires cérébrales qui sont impliquées dans des actions que l'on voudra répéter en raison du plaisir et de la satisfaction qu'elles nous procurent". En bref un cocktail d'ocytocine qui permet d'accéder parfois à des états de transe ou d'extase.

Une hypothèse pour expliquer ce phénomène serait que la musique serait directement relayée par un système de neurones miroirs, les mêmes que l'on avait déjà évoqués dans ce blog comme étant les neurones de l'imitation de ce que l'on voit. Imitation qui en retour est à la source d'émotions et donc de l'empathie. Pour la musique on peut imaginer -rien n'est prouvé- que ces mêmes neurones miroirs, convertissent directement l'impression sonore en réactions physiques exprimées ou non, qui en retour provoquent de fortes émotions. A l'appui de cette supposition, Zatorre a montré que lorsque l'on se souvient d'une chanson, ces aires motrices du cerveau sont activées exactement comme si l'on utilisait inconsciemment nos cordes vocales pour la chanter intérieurement.
Plus récemment, on vient de découvrir que chez le bruant des marais, un petit oiseau d'Amérique du Nord, ces neurones miroirs s’activent à la fois quand l’oiseau entend une chanson d'un congénère et quand il chante la même chanson, lui permettant de s'accorder parfaitement au chant qu'il entend. Ca ne me surprendrait pas que l'on ne découvre bientôt chez l'homme une activation de ces neurones miroirs quand nous écoutons de la musique.

La musique, mimétisme fondateur de nos sociétés primitives?
Bon, tout ça c'est bien beau mais ça n'explique pas pourquoi l'homme a développé toutes ces aptitudes biologiques pour la musique. Nous sommes en effet capables de détecter les plus subtiles nuances de fréquences (un quart de ton), alors que cette faculté ne nous sert à rien pour le langage dont les variations de ton sont deux à trois fois moins fines qu'en musique. Et dans ce domaine nous surclassons largement tous les autres mammifères (à l'exception des chauve-souris) y compris ceux qui, comme le chat, ont une ouïe très fine - mais pas très subtile manifestement. La culture n'explique pas tout puisque cette capacité est à peu présente dès les premiers mois chez le nourrisson.

L'une des hypothèses pour expliquer cette adaptation évolutive étrange spécule sur les effets très forts de la musique sur la cohésion sociale. La musique est en effet une des rares sollicitations extérieure à l'individu qui exige à la fois synchronisation individuelle (entre ses gestes, et sa voix par exemple), et collective entre joueurs de musique, chanteurs d'un chœur ou danseurs. L'émotion dégagée par cette synchronisation collective, l'impression de communion qui s'en dégage resserent puissamment les liens de la communauté.et aurait pu jouer un rôle important dans la socialisation de nos ancêtres hominidés. La musique comme origine mimétique de nos société, voilà qui plairait à René Girard...


Quelques sources intéressantes:
Isabelle Peretz, Neuron (2002) ; Cognition, (1998)
Peretz et Lidji, Revue de Neuropsychologie (2006)
Sandra Trehub, Nature, 2003
Robert Zatorre, Nature, 2005
Pauline Gravel, Le devoir, 2002
Lechevalier, Platel et Eustache, Le cerveau musicien

Schizophrénie, chatouilles et prémonition

Suite de la discussion autour du post de Benjamin, sur l'impossibilité de se chatouiller soi-même. Cette curieuse insensibilité ne s'explique pas par l'absence d'un alter-ego social, puisqu'un robot peut être tout aussi chatouilleur qu'un individu espiègle.

Pour comprendre cette bizarrerie naturelle, il faut admettre que notre cerveau anticipe les conséquences y compris sensorielles de nos propres mouvements. Juste avant que nos doigts n'entrent en contact avec la partie sensible de notre épiderme, tout se passe comme si le cerveau simulait intérieurement ce contact et les sensations qu'il produira dans notre corps. Au moment du contact, nos cellules sensorielles sont du coup déjà "averties" du contact et désensibilisées dans une large mesure. Bref les guilis sont sans effet.

Au moyen d'une expérimentation simple, où le patient se chatouille lui-même la main par l'intermédiaire d'un dispositif mécanique, on montre que plus le cerveau prévoit correctement le lieu et le moment exact de la chatouille, moins il y est sensible. A l'inverse, si son anticipation est mise en échec, la chatouille est irrésistible.

Autrement dit, l'intensité de la chatouille viendrait de l'écart entre l'effet sensoriel réel et prédit. Ce qui est valable pour la chatouille l'est aussi pour la douleur: c'est sans doute la raison pour laquelle il est moins pénible de s'arracher un sparadrap soi-même plutôt que par quelqu'un d'autre.

Notre capacité à annuler les sensations prévisibles explique aussi que l'on s'habitue très vite à toutes les sensations:
- un goût permanent s'étiole: celui du clou de girofle après une opération dentaire par exemple,
- une odeur, un parfum ne se sent pas longtemps avec intensité, au point que même consciemment on ne peut sentir sa propre odeur,
- un bruit régulier comme le tic-tac du réveil ou la pluie qui tombe ne s'entend plus, sauf à se concentrer pour l'écouter.

Cette capacité à inhiber les sensations prévisibles permet à notre cerveau de se concentrer sur les sensations non prévisibles afin d'y adapter ses réactions. Autrement dit nous ne sentons pas les sensations prévisibles et les traitons en mode "automatique" (l'odeur habituel de mon appartement) afin d'être plus réactif à l'inattendu (une odeur de gaz). Ce qui est vrai des sensations l'est bien sûr des mouvements: c'est ainsi que l'on calibre exactement la force nécessaire pour soulever une bouteille en anticipant son poids.

Certains chercheurs vont plus loin et voient dans cet accord parfait entre prédiction et sensation une possible définition de la conscience de soi. Autrement dit, ce n'est pas parce que c'est moi qui fais un mouvement que je le prédis correctement (et que mes chatouilles ne me font rien), mais à l'inverse c'est parce que ce mouvement est très correctement prédit que je l'attribue comme mien. Et l'on observe que les malades atteints de schizophrénie éprouvent précisément des difficultés à distinguer leurs propres mouvements et des mouvements extérieurs. Bref, si vous vous chatouillez tout seul un petit passage par le psy vous est chaleureusement recommandé.

Le processus cérébral à l'œuvre dans le déclenchement d'une action volontaire est encore plus surprenant. En 1983, le chercheur américain Benjamin Libet a montré avec une expérience simple que lorsqu'un individu décide de faire une action -bouger un doigt par exemple, sa décision consciente intervient quelques centaines de millisecondes après l'activation des zones du cerveau dédiées au mouvement. Autrement dit, contrairement au sens commun, la prise de décision interviendrait après que l'action soit engagée dans le cerveau: de là à renvoyer le libre-arbitre individuel au rayon des chimères cérébrales et à consacrer la toute puissance du cerveau, il n'y avait qu'un pas à franchir et l'article a suscité une belle polémique.

Hmmm, je vous vois sceptique: comment la conscience d'une sensation - un bruit par exemple- pourrait-elle précéder la perception physiologie elle-même, puisqu'elle en est la conséquence? Il y a bien une situation qui me semble l'illustrer parfaitement, mais n'étant pas neurologue je sollicite votre indulgence s'il s'avère que j'avance une ânerie. N'avez vous jamais été réveillé la nuit par un bruit soudain, un objet qui tombe par exemple, une fraction de seconde avant de l'entendre? Ou bien, si vous ne vous réveillez pas, n'avez-vous pas eu ensuite le souvenir très précis que le scénario du rêve intégrait parfaitement ce bruit, alors qu'il était tout à fait inattendu. Comme si votre rêve avait anticipé cet événement et s'y était adapté pour lui donner chronologiquement une place logique (par exemple, que vous attendiez justement une voiture avant qu'elle n'arrive vers vous et vous klaxonne)? Je suppose -avec prudence- qu'en réalité le cerveau prend conscience du bruit une fraction de seconde avant de le transformer en sensation auditive et utilise ce petit laps de temps pour modifier l'histoire du rêve afin que le bruit puisse s'y insérer logiquement.

Bon, c'est un peu "back to the future" comme interprétation, mais après tout peut-être explique-t-on ainsi certaines prémonitions ou sentiments de déjà-vu. Et qu'au cinéma le héros se réveille toujours une fraction de seconde avant que le gangster ne lui balance son coup de couteau? Vous voilà rassurés sur le sort de votre héros: vous pouvez reprendre vos exercices d'auto-chatouilles...


Références:
Daniel M. Wolpert and J. Randall Flanagan: Motor prediction, Current Biology, Vol 11, R729-R732, 18 September 2001

Sarah-J. Blakemore: Spatio-Temporal Prediction Modulates the Perception of Self-Produced Stimuli, September 1999, Vol. 11, No. 5, Pages 551-559

Frith C., Blakemore S., Wolpert D. (2000), Explaining the symptoms of schizophrenia: abnormalities in the awareness of action, Brain research review, 31, 357-363

Benjamin Livet, Curtis A. Gleason, Elwood W. Wright, Dennis K Pearl: Time of conscious intention to act in relation ton onset of cerebral activity (readiness-potential) The unconscious initiation of a freely voluntary act, Brain, Vol. 106, No. 3, 623-642, 1983

comment on lit...

Comment notre cerveau de primate est-il capable de lire alors qu'il n'a pas eu le temps pour s'adapter à cette activité récente (à peine 10 000 ans, une paille dans l'histoire de notre patrimoine génétique)? C'est l'une des questions auxquelles tente de répondre Stanislas Dehaene dans son passionnant livre "les neurones de la lecture" (on peut aussi suivre son cours au collège de France disponible en podcast).

Dehaene nous embarque dans l'étonnante exploration des mécanismes cérébraux de la lecture en exploitant toutes les techniques possibles, de l'imagerie cérébrale à la description des cas cliniques les plus incroyables.
Première surprise, on a découvert que pour lire, notre cerveau active systématiquement une zone très particulière, la zone occipito-temporale-gauche, spécialisée chez les primates dans la reconnaissance des objets, des visages et des formes en général. Sa sur-sollicitation pour la lecture est attestée dans tous les systèmes culturels étudiés et tiendrait à ses prédispositions très spécifiques. Elle est en effet capable de reconnaître des formes familières:
- quelle que soit leur taille,
- quelle que soit leur orientation jusqu'à quelques degrés d'inclinaison,
- quelle que soit leur localisation dans le champ visuel (mais avec une préférence pour la zone centrale).
Comme toutes les fonctions de l'hémisphère gauche, elle est en outre plus sensible au détail qu'à la perception globale, à l'analyse fine plutôt qu'à l'impression générale de ce qu'elle perçoit.

Toutes propriétés évidemment particulièrement intéressantes pour reconnaître des lettres et des combinaisons de lettres...
 En approfondissant le fonctionnement de cette zone, les chercheurs se sont rendus compte que tout comme les primates, nous sommes surtout sensibles à un nombre très limité de tracés élémentaires pour caractériser un objet visuel: formes en T, en Y, cercles, tracés parallèles ou perpendiculaires, boucles etc. C'est sur la base de ces petits indices visuels que l'on reconnaît un visage, une silhouette etc. Cette reconnaissance "réflexe" est probablement la cause de notre sensibilité aux illusions d'optiques, par exemple en associant mécaniquement la présence de signes visuels spécifiques (une forme de nez) à l'identification d'un visage, même si par ailleurs on "sait" qu'il n'y a aucun visage à voir (emprunté de l'excellent blog du complot des papillons):

Nos mécanismes de lecture sont donc le résultat d'un recyclage, d'une reconversion de ces zones douées pour la reconnaissance particulière de tracés caractéristiques.
L'un des résultats les plus extraordinaires de la recherche est que ce sont ces mêmes formes élémentaires que l'on retrouve systématiquement dans toutes les formes d'écriture humaine, de manière beaucoup plus fréquente que dans des tracés effectués au hasard par un ordinateur ou un enfant ne sachant pas lire. Ce ne serait donc pas le cerveau qui se serait adapté à l'écriture, mais l'écriture qui progressivement se serait adaptée aux formes les plus facilement reconnaissables par notre cerveau de primate. Pour aboutir à une espèce de trame universelle qui sous-tendrait tous les systèmes d'écriture du monde, une bien jolie idée en somme.

Apprendre à lire consiste donc à reconnaître parmi ces formes élémentaires, celles qui forment des lettres, puis reconnaître leurs combinaisons, d'abord de manière séquentielle, puis parallèle; à assimiler et utiliser la régularité statistique de leurs combinaisons pour lire de plus en plus rapidement; et enfin à combiner astucieusement plusieurs "voies de lecture" -reconnaissance visuelle, déchiffrage phonétique, interprétation lexicale des morphèmes, pour parvenir à une lecture fluide dont la vitesse est à peu près indépendante de la taille des mots usuels.

Mais apprendre à lire exige aussi de désapprendre certaines choses, en particulier l'identification comme semblable de formes symétriques par rapport à la verticale! Nous sommes en effet capables -et c'est heureux- de reconnaître un chat que l'on observe son profil gauche ou son profil droit. A noter que nous sommes beaucoup moins doués pour reconnaître le symétrique vertical d'un objet familier - un visage à l'envers par exemple comme celui-ci.
(Joli brin de fille sur la gauche? Retournez donc l'image, pour rire... Source ici)


Or la lecture est une discipline où l'asymétrie est de rigueur: on écrit de gauche à droite (en écriture latine) et l'on ne doit pas confondre "d" et "b", "q" et "p". Lorsqu'ils apprennent à écrire, les enfants éprouvent naturellement des difficultés à se "désymétriser" et il leur arrive fréquemment de tracer certaines lettres à l'envers, comme dans un miroir. On a montré que les difficultés de lecture de certains enfants dyslexiques pouvaient provenir d'une insuffisante latéralisation.

Diable, le génie des manuscrits inversés de Léonard de Vinci, serait-il le signe d'une "insuffisante latéralisation"?