Une nouvelle théorie du coût de la cognition basée sur la théorie de l'information: validation expérimentale – CoCogIT

Les projets proposés sont basés sur deux approches :
1. La première approche se concentre sur l’étude du coût de l’effort et consiste à faire varier la demande cognitive (formalisée en terme de quantités tirée de la théorie de l’information) à travers les blocs expérimentaux et de mesurer son impact sur le comportement et les activations cérébrales. Cette approche sera utilisée pour répondre aux objectifs 1 et 3 et sera mise en pratique dans WP1.
2. La seconde approche expérimentale utilisée dans ce projet se concentre sur les conséquences de l’activité cognitive prolongée. Elle consiste à demander à des participants de réaliser des tâches de différents niveaux de difficultés, mesurés en terme de coût en information, et de comparer les conséquences sur le comportement ainsi que sur l’activité cérébrale pendant la tâche et au repos. La mesure de l’activité cérébrale de repos sera basée sur l’Arterial Spin Labelling (ASL), qui procure une mesure quantitative du débit sanguin cérébral, ainsi que sur des mesures classiques du signal BOLD.

Work package 1 – codage efficace du traitement sensorimoteur et relation avec l’effort
Nous avons décidé de développer plus en détail la partie théorique en amont de ce projet expérimental, en développant une méthode pour estimer le taux de transfert d’information lors d’une tâche de tracking et en dissociant la partie prédictive (anticipation des déplacements de la cible) de la partie réactive (correction de l’erreur). Une publication est actuellement en préparation pour ce travail théorique.
Par ailleurs, nous avons proposé une nouvelle théorie mettant en lien les variations du diamètre pupillaire, reflets des changements d’arousal, et la quantité d’information traitée. Cette théorie, publiée dans les Proceedings of the Royal Society, permet de clarifier la signification de cette mesure, utilisée largement comme indicateur de l’effort mental.
Nous avons également réalisé des expériences qui testent notre hypothèse de lien entre effort mental et quantité d’information traitée dans le contexte de tâches arithmétiques. Les résultats, répliqués dans trois expériences successives ont largement confirmés nos hypothèses, montrant un lien direct entre dilatation pupillaire et quantité d’information nécessaire pour mettre à jour le modèle interne de la tâche.
Work package 2 – fatigue neurale
Nous avons pu mener à bien WP2.1 et confirmer notre hypothèse. La simple répétition d’une stimulation passive visuelle conduit à une altération des performances spécifique à la région du champ visuel stimulée et s’accompagne d’une modification du signal électrophysiologique qui reflète le traitement des informations sensorielles. Ces travaux font l’objet d’une publication qui est en cours de préparation.

Les acquisitions de données de neuroimagerie sur l’effort mental (WP1) vont débuter vers septembre 2020. L’étude de l’impact d’une double tâche sur le traitement de l’information en tracking oculaire (WP1.2) devrait débuter vers le printemps 2021. Par ailleurs nous préparons deux expériences complémentaires de WP1.1 et WP1.2 avec une mesure du taux métabolique de l’oxygène en lieu et place de la mesure BOLD. Cette mesure physiologique devrait constituer un meilleur reflet de l’activité métabolique corticale et nous prédisons donc une relation plus robuste entre cette mesure et le taux d’information que celle observée avec le signal BOLD. Par contre, cette technique n’étant pas disponible à Bordeaux, ces expériences seront réalisées à Bruxelles, en collaboration avec le laboratoire COSY.

Nous avons débuté les acquisitions des données visant à mesurer l’impact de la fatigue neurale sur le métabolisme cortical, en nous concentrant dans un premier temps sur le signal BOLD plutôt que sur l’ASL. Nous utilisons la technique de MultiVariate Pattern Analysis (MVPA) pour évaluer la qualité de l’encodage de stimuli visuel avant et après saturation d’une portion du champ visuel par stimulation passive répétée. Une collaboration a également été lancée avec le laboratoire de Kazuhisa Shibata (Riken) pour évaluer l’impact de la fatigue neurale sur la concentration de métabolites dans le cortex via la spectroscopie par résonance magnétique (MRS). Ces expériences étaient prévues en juin 2020 mais ont été reportées à novembre 2020 en raison de la situation sanitaire. Une autre collaboration avec le laboratoire COSY de l’UCL, Bruxelles nous permettra d’évaluer l’impact de la fatigue neurale sur le métabolisme de base dans le cortex au moyen de l’ASL. Ces expériences devraient débuter à Bruxelles au début de l’année 2021.

Article
Zénon, A., 2019. Eye pupil signals information gain. Proceedings of the Royal Society B 286(1911). royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspb.2019.1593

Communications
1. “Mental effort, pupil dilation and information gain.” Geneva Neuroscience and Biotech Campus, Oct. 2019
2. “Cognitive correlate of pupil dilation” Gent, Faculty of Psychology, Février 2019.

L'origine du caractère aversif de l'activité cognitive, et les mécanismes qui conduisent l'activité mentale prolongée à induire de la fatigue, sont des énigmes pour les neurosciences. Les objectifs de ce projet sont d’appuyer expérimentalement un modèle théorique du coût de la cognition basé sur la théorie de l’information et qui prédit que l’effort subjectif et l’aversivité associés à une tâche sont fonction de son coût en information. Nous proposons 3 hypothèses concernant la nature de cette relation, correspondant à trois différents facteurs d’influence : la limite locale de la capacité, la limite globale de la capacité et le taux d’altération métabolique. Les expériences réalisées reposeront sur des techniques comportementales et de neuroimagerie chez l'homme (neuroimagerie fonctionnelle basée sur le signal BOLD et Imagerie de Perfusion par Marquage de Spin).