Étude sur la prise de décision motrice sous incertitude et pression temporelle

Contexte académique

Dans la vie quotidienne, les animaux et les humains doivent souvent choisir l’action la plus appropriée parmi plusieurs options possibles. Cependant, comment planifier et exécuter ces actions face à l’incertitude des objectifs et à la pression temporelle reste une question non résolue en neurosciences. Selon la vision traditionnelle, le cerveau, confronté à l’incertitude des objectifs, sélectionne l’action finale en compétitionnant ou en synthétisant plusieurs plans moteurs partiellement préparés. Cependant, une autre perspective suggère que le cerveau ne sélectionne et n’optimise qu’un seul plan moteur à chaque instant, et que toutes les décisions sont prises avant la planification du mouvement.

Pour distinguer ces deux hypothèses, Samuele Contemori et Timothy J. Carroll ont conçu une expérience dans leur article pour étudier comment les individus planifient et exécutent des actions dans des conditions d’incertitude des objectifs, en particulier sous pression temporelle. Les chercheurs se demandent si les individus “moyennent” la dynamique de plusieurs actions potentielles (motor averaging) ou choisissent un seul plan moteur optimisé. Cette recherche est d’une grande importance pour comprendre les mécanismes neuronaux de la prise de décision motrice.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Samuele Contemori et Timothy J. Carroll du Centre for Sensorimotor Performance, School of Human Movement and Nutrition Sciences, The University of Queensland, en Australie. L’article a été publié en janvier 2025 dans le Journal of Neurophysiology, sous le titre “Motor decision-making under uncertainty and time pressure”.

Processus de recherche

Conception de l’étude

L’étude reprend le paradigme expérimental d’Alhussein et Smith (2021), avec quelques modifications clés. Les participants doivent initier un mouvement de bras vers deux cibles opposées sans connaître l’objectif final. Pour augmenter la pression temporelle, les participants doivent initier le mouvement dans les 500 millisecondes suivant la présentation de la cible, avec un temps de réaction moyen d’environ 250 millisecondes. En appliquant des champs de force de rotation opposés (curl force fields), les chercheurs associent les caractéristiques dynamiques du mouvement de bras à différentes directions cibles.

Participants et dispositif expérimental

L’étude a impliqué 24 adultes droitiers en bonne santé, dont 17 ont complété la tâche d’apprentissage. L’expérience a été menée à l’aide d’un bras robotique planaire (vBot), où les participants contrôlaient les mouvements de leur bras via un retour visuel. Les cibles étaient divisées en cibles centrales et latérales, chaque direction étant associée à un champ de force de rotation différent. Les participants ont effectué des tâches de bras unique et double cible à différentes étapes de l’expérience.

Étapes de l’expérience

L’expérience était divisée en trois phases : phase de base, phase d’entraînement et phase de test.

1. Phase de base : Les participants ont effectué deux sessions de familiarisation avec des cibles uniques, 45 essais par session, suivis de tâches à double cible.
2. Phase d’entraînement : Les participants ont effectué sept sessions de tâches à cible unique, 60 essais par session, avec des tests de champ de force en canal (channel force field) insérés aléatoirement.
3. Phase de test : Les participants ont effectué six sessions, 80 essais par session, incluant des tâches à cible unique et double cible, pour évaluer les dynamiques nouvellement apprises dans des conditions de double cible.

Analyse des données

Les chercheurs ont enregistré les données cinématiques (kinematic) et dynamiques (dynamic) des participants, analysant l’adaptation aux champs de force de rotation et l’impact de l’incertitude des objectifs et de la pression temporelle sur les dynamiques de bras. À l’aide d’analyses ROC (Receiver Operating Characteristic) et de modèles linéaires à effets mixtes (LMEM), les chercheurs ont évalué les différences dans les dynamiques de bras sous différentes conditions cibles.

Résultats principaux

Impact de l’incertitude des objectifs sur le temps de réaction

L’étude a révélé qu’il n’y avait pas de différence significative dans les temps de réaction (RT) des participants, que ce soit dans des conditions de cible unique ou double, indiquant que le temps d’initiation du mouvement était indépendant de la connaissance préalable de la cible. Cependant, dans des conditions de double cible, la direction initiale du bras tendait à être intermédiaire entre les deux cibles potentielles, suggérant que les participants adoptaient une stratégie intermédiaire en l’absence d’un objectif clair.

Sélection des dynamiques de bras

La découverte clé de l’étude est que, dans des conditions de double cible, les dynamiques de bras des participants correspondaient uniquement à celles de la cible centrale, et non à une moyenne des dynamiques des cibles latérales. Même dans les essais avec les temps de réaction les plus courts, les dynamiques de bras ne montraient pas de “moyennage” des dynamiques des cibles latérales. Ce résultat soutient l’hypothèse que “la sélection de l’action se fait en aval”, c’est-à-dire que la planification des dynamiques de bras se produit après la sélection de la cible, et non par la préparation en parallèle de plusieurs plans moteurs.

Apprentissage moteur sous pression temporelle

L’étude a également révélé que la pression temporelle affectait significativement l’efficacité de l’apprentissage moteur. Bien que les participants aient réussi à s’adapter aux champs de force de rotation, leur niveau d’adaptation était plus faible (environ 50 % de la force de compensation idéale) par rapport à des expériences sans pression temporelle. Cela suggère que la pression temporelle réduit l’efficacité de l’apprentissage moteur mais ne modifie pas le mécanisme de sélection des dynamiques de bras.

Conclusion

Cette étude révèle que, sous incertitude des objectifs et pression temporelle, la planification des dynamiques de bras se produit en aval de la sélection de l’action, plutôt que par un moyennage des dynamiques de plusieurs actions potentielles. Cette découverte soutient l’hypothèse de “l’optimisation d’un seul plan moteur”, selon laquelle le cerveau spécifie les dynamiques motrices spécifiques après la sélection de la cible. Non seulement cette recherche approfondit notre compréhension des mécanismes neuronaux de la prise de décision motrice, mais elle fournit également un nouveau paradigme expérimental pour les études futures.

Points forts de la recherche

1. Introduction de la pression temporelle : L’étude explore pour la première fois l’impact de la pression temporelle sur la prise de décision motrice dans des conditions d’incertitude des objectifs, grâce à un contrôle strict du temps de réaction.
2. Mécanisme de sélection des dynamiques de bras : Grâce à la conception expérimentale utilisant des champs de force de rotation, l’étude distingue clairement les deux hypothèses de “moyennage dynamique” et “d’optimisation d’une seule dynamique”.
3. Efficacité de l’apprentissage moteur : L’étude révèle l’impact négatif de la pression temporelle sur l’apprentissage moteur, fournissant une référence importante pour les recherches futures sur les effets dépendants du temps dans l’apprentissage moteur.

Autres informations utiles

L’étude explore également les mécanismes neuronaux dans des conditions de multi-cibles, proposant une explication possible : le cerveau pourrait considérer une cible centrale virtuelle comme une option concurrente, favorisant ainsi la sélection des dynamiques de la cible centrale dans des conditions de double cible. Cette perspective offre de nouvelles pistes pour les recherches futures sur les mécanismes neuronaux.

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Grâce à une conception expérimentale minutieuse et à une analyse approfondie des données, cette étude fournit des bases scientifiques importantes pour comprendre les mécanismes de contrôle de la prise de décision motrice sous incertitude et pression temporelle.