Hiérarchie spatio-temporelle du cerveau dans la reconnaissance de la mémoire auditive et le codage prédictif

Introduction

Cette étude vise à explorer les mécanismes hiérarchiques du cerveau humain lorsque celui-ci reconnaît des séquences musicales mémorisées antérieurement et leurs modifications systématiques. Bien que le traitement neural des modèles visuo-spatiaux ait été largement étudié, la compréhension de la reconnaissance consciente des séquences auditives et des erreurs de prédiction associées reste insuffisante. Le système auditif extrait des informations des motifs et séquences évoluant dans le temps, offrant ainsi une opportunité unique pour comprendre la hiérarchie temporelle du cerveau. Les recherches suggèrent que le cerveau met à jour en permanence son modèle interne pour prédire les informations et stimuli externes selon la théorie du codage prédictif (Predictive Coding Theory, PCT).

Source de l’étude

Les auteurs de cet article, L. Bonetti, G. Fernández-Rubio, F. Carlomagno, M. Dietz, D. Pantazis, P. Vuust, et M. L. Kringelbach, sont affiliés aux centres de recherche des universités d’Aarhus, Oxford, Bologne, Bari, et au MIT. L’étude a été publiée en 2024 dans la revue Nature Communications.

Processus de recherche

Conception de l’expérimentation

Lors de cette expérimentation, 83 participants ont été invités à réaliser une tâche de reconnaissance auditive « ancien/nouveau » pendant que leur cerveau était enregistré avec une magnétoencéphalographie (MEG). Dans un premier temps, les participants devaient mémoriser un court fragment musical. Ensuite, au cours de la phase de test, 135 séquences musicales de cinq notes chacune étaient présentées aléatoirement (27 séquences mémorisées (M) et 108 nouvelles séquences (N)). Les participants devaient juger si les séquences étaient des fragments musicaux mémorisés antérieurement (“M”) ou de nouvelles séquences modifiées (“N”).

Collecte des données

Les données MEG étaient enregistrées à un taux d’échantillonnage de 1000Hz dans une chambre blindée magnétique, et des paramètres typiques ont été utilisés pour le prétraitement. La forme de la tête et les indicateurs de position de la tête de chaque participant ont été enregistrés et utilisés pour calibrer les données MEG avec les scans anatomiques IRM individuels.

Prétraitement et analyse des données

La méthode d’analyse en composantes indépendantes (ICA) a été utilisée pour éliminer les artéfacts oculaires et cardiaques, et les données ont été segmentées par fenêtres temporelles et corrigées par baselines. Ensuite, une machine à vecteurs de support (SVM) a été utilisée pour décoder les différentes activités neuronales et évaluer l’exactitude du décodage des séquences mémorisées (M) par rapport aux nouvelles séquences (N).

Analyse univariée et analyse des motifs multivariés

Une analyse des motifs multivariés et une analyse de généralisation temporelle ont été effectuées pour décoder les différentes activités neuronales des séquences mémorisées et nouvelles, et évaluer leur stabilité. Les résultats ont montré des différences neuronales significatives entre les séquences M et N.

Reconstruction des sources et analyse hiérarchique fonctionnelle

Grâce à la technique de reconstruction de sources, les caractéristiques spatio-temporelles de l’activité cérébrale ont été identifiées. Ensuite, des modèles causaux dynamiques (DCM) ont été utilisés pour évaluer la hiérarchie neuronale, confirmant l’efficacité du modèle hypothétique par comparaison des preuves des différents modèles.

Analyse des potentiels évoqués et des événements reliés

Des analyses de potentiels évoqués d’événements ont été réalisées en utilisant la transformation complexe de Morlet, révélant des changements de puissance et des résultats d’analyses temps-fréquence dans différentes régions d’intérêt (ROI).

Principaux résultats de l’étude

Différences entre les séquences mémorisées et nouvelles

Les résultats ont montré que le cortex auditif ne pouvait distinguer les erreurs de différentes intensités qu’au premier changement de note, tandis que l’hippocampe bilatéral, le cingulum antérieur et le cingulum médian réagissaient plus fortement au premier changement qu’aux notes suivantes. Cela indique que ces régions pourraient être étroitement liées aux signaux cérébraux de la conscience du changement.

Hiérarchie fonctionnelle du cerveau

L’étude a confirmé les connexions feedforward du cortex auditif vers l’hippocampe, le cingulum antérieur et le cingulum médian, ainsi que les connexions feedback dans la direction opposée. Cette hiérarchie reste cohérente tout au long de la séquence, sauf pour la dernière note où le cingulum médian occupe la position hiérarchique supérieure. Cela suggère qu’à l’écoute de la dernière note, le cerveau se prépare à catégoriser la séquence (“mémorisée” ou “nouvelle”), et le cingulum médian joue un rôle clé dans la prise de décision et l’évaluation.

Similarités et différences fonctionnelles

La hiérarchie cérébrale de la reconnaissance des séquences reste globalement inchangée entre les séquences mémorisées et modifiées, mais leurs dynamiques temporelles, intensités et polarités diffèrent significativement. Lorsque les notes prédites sont cohérentes avec les mémorisations antérieures, le cortex auditif, suivi de l’hippocampe et des cingula antérieur et médian, présente une réponse positive. Au contraire, lorsque les notes prédites sont incohérentes, le même réseau cérébral montre une réponse négative avec une dynamique plus rapide.

Analyse spectrale des ondes cérébrales

L’analyse des ondes induites a montré qu’après la fin des séquences, la puissance des bandes α et β est significativement plus élevée dans les séquences modifiées que dans les séquences mémorisées, corroborant les résultats précédents.

Conclusion et signification

Cette étude élargit l’application de la théorie du codage prédictif (PCT) en fournissant des preuves quantitatives des mécanismes hiérarchiques du cerveau pendant la reconnaissance de la mémoire à long terme et le traitement prédictif. Les résultats montrent que les dynamiques temporelles, l’intensité et la polarité de la hiérarchie fonctionnelle du cerveau diffèrent significativement pendant les tâches cognitives complexes. Cette recherche aide à comprendre les bases neurales de la perception et de la cognition humaines et fournit de nouvelles perspectives pour établir des modèles cognitifs plus complexes.

Points forts de l’étude

1. Fournir des preuves quantitatives des mécanismes hiérarchiques du cerveau pendant la reconnaissance de la mémoire à long terme et le traitement prédictif.
2. Découverte de différences significatives dans les dynamiques temporelles, l’intensité et la polarité entre les séquences mémorisées et modifiées.
3. Confirmation des connexions feedforward du cortex auditif vers l’hippocampe, le cingulum antérieur et le cingulum médian, et des connexions feedback dans la direction opposée.

Cette étude démontre les mécanismes cérébraux et les structures hiérarchiques dans les tâches cognitives complexes, apportant un soutien solide à la théorie du codage prédictif.