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Le cerveau exécute diverses fonctions cognitives et comportementales dans la vie quotidienne, passant avec souplesse à divers états pour exécuter ces fonctions. Les scientifiques considèrent le cerveau comme un système qui remplit ces nombreuses fonctions en contrôlant ses états. Pour mieux comprendre les propriétés de ce contrôle dans le cerveau, les scientifiques cherchent des moyens d’estimer la difficulté de contrôle, ou le coût du contrôle, lorsque le cerveau passe d’un état à un autre. Une équipe de chercheurs a donc entrepris une étude pour quantifier ces coûts de contrôle dans le cerveau et a réussi à construire un cadre qui évalue ces coûts.
Le contrôle des transitions vers certains états entraîne des « coûts » plus importants que le contrôle des transitions vers d’autres. Avec le développement d’un cadre pour quantifier les coûts de transition, les scientifiques auront un moyen d’évaluer la difficulté des changements entre divers états cérébraux. Il est possible qu’ils disposent également d’une mesure quantifiable pour expliquer les charges cognitives, les différences veille-sommeil, l’accoutumance aux tâches cognitives et les troubles psychiatriques.
L’ouvrage est publié dans la Journal des neurosciences.
L’équipe a travaillé à la construction d’un nouveau cadre pour quantifier le coût du contrôle qui tient compte de la stochasticité, ou du caractère aléatoire, de l’activité neuronale. Cette stochasticité a été ignorée dans les études précédentes. Le paradigme de contrôle actuel en neurosciences utilise un cadre déterministe incapable de prendre en compte la stochasticité. Mais il est bien connu que la dynamique neuronale est stochastique et que le bruit est omniprésent dans tout le cerveau. « Dans ce travail, nous avons abordé la question de la stochasticité et d’abord proposé un nouveau cadre théorique qui quantifie le coût de contrôle en tenant compte des fluctuations stochastiques de la dynamique neuronale », a déclaré Shunsuke Kamiya, doctorant à l’École supérieure des arts et des sciences. à l’Université de Tokyo.
Dans leur étude, les chercheurs ont établi l’expression analytique du coût de contrôle stochastique, ce qui leur a permis de calculer le coût dans des données neuronales de grande dimension. Par l’expression analytique, ils ont découvert que le coût de contrôle optimal peut être décomposé en coûts de contrôle de la moyenne et de la covariance. « Cette décomposition nous permet d’étudier comment différentes zones cérébrales contribuent différemment au contrôle des transitions d’un état cérébral à un autre », a déclaré Kamiya.
Les chercheurs ont également identifié les régions cérébrales importantes pour le contrôle optimal des tâches cognitives dans les données d’imagerie du cerveau humain. Ils ont examiné les régions cérébrales importantes dans le contrôle optimal des transitions de l’état de repos à sept états de tâches cognitives, en utilisant les données d’imagerie du cerveau humain de 352 adultes en bonne santé. Ils ont constaté qu’avec ces différentes transitions, les aires visuelles inférieures jouaient généralement un rôle important dans le contrôle des moyennes, tandis que le cortex cingulaire postérieur jouait généralement un rôle important dans le contrôle des covariances. Le cortex cingulaire postérieur est la partie supérieure du lobe limbique, cette région du cerveau qui joue un rôle important dans la mémoire et les comportements émotionnels.
Dans cette étude, l’équipe n’a considéré que le coût de contrôle optimal où les transitions d’état du cerveau sont contrôlées de manière optimale, avec une minimisation du coût de contrôle stochastique. Cependant, dans les systèmes neuronaux réels, il est peu probable que les transitions d’état soient contrôlées de manière optimale. « Une future direction intrigante sera de comparer la dynamique contrôlée de manière optimale et la dynamique réelle à l’aide de données neuronales pendant les tâches », a déclaré Masafumi Oizumi, professeur agrégé à la Graduate School of Arts and Sciences de l’Université de Tokyo.
Dans la perspective des recherches futures, Oizumi explique que le but ultime de son laboratoire est de comprendre le lien entre la dynamique cérébrale et les comportements, les cognitions et la conscience humains. « Par exemple, nous soupçonnons que la diminution de la contrôlabilité de la dynamique cérébrale peut être liée à la fatigue mentale ou à la perte de conscience. Nous nous attendons à ce que la perspective théorique du contrôle fournisse un nouvel aperçu de cet objectif », a déclaré Oizumi.
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