Qu'est-ce qui rend le cerveau humain plus intelligent que celui des autres animaux ?

L'homme n'a pas d'égal dans le domaine de la cognition. Après tout, aucune autre espèce n'a envoyé de sondes sur d'autres planètes, produit des vaccins qui sauvent des vies ou créé de la poésie. La manière dont l'information est traitée dans le cerveau humain pour rendre cela possible est une question qui a suscité une fascination sans fin, sans pour autant trouver de réponses définitives.

Notre compréhension du fonctionnement du cerveau a évolué au fil des ans

Les modèles théoriques actuels décrivent le cerveau comme un « système distribué de traitement de l'information ». Cela signifie qu'il possède des composants distincts, qui sont étroitement reliés entre eux par le câblage du cerveau. Pour interagir entre elles, les régions échangent des informations par le biais d'un système de signaux d'entrée et de sortie.

Toutefois, il ne s'agit là que d'une petite partie d'un tableau plus complexe. Dans une étude publiée dans Nature Neuroscience, nous montrons, en nous appuyant sur des données provenant de différentes espèces et de plusieurs disciplines neuroscientifiques, qu'il n'existe pas qu'un seul type de traitement de l'information dans le cerveau. La manière dont l'information est traitée diffère également entre l'homme et les autres primates, ce qui pourrait expliquer pourquoi les capacités cognitives de notre espèce sont si supérieures.

Nous avons emprunté des concepts à ce que l'on appelle le cadre mathématique de la théorie de l'information - l'étude de la mesure, du stockage et de la communication de l'information numérique, qui est cruciale pour des technologies telles que l'internet et l'intelligence artificielle - afin de déterminer comment le cerveau traite l'information. Nous avons constaté que les différentes régions du cerveau utilisent en fait des stratégies différentes pour interagir les unes avec les autres.

Certaines régions du cerveau échangent des informations avec d'autres de manière très stéréotypée, en utilisant des entrées et des sorties. Cela garantit que les signaux sont transmis de manière reproductible et fiable. C'est le cas des zones spécialisées dans les fonctions sensorielles et motrices (telles que le traitement des informations sonores, visuelles et de mouvement).

Prenons l'exemple des yeux, qui envoient des signaux à l'arrière du cerveau pour y être traités. La majorité des informations envoyées sont dupliquées et proviennent de chaque œil. En d'autres termes, la moitié de ces informations n'est pas nécessaire. C'est pourquoi nous appelons ce type de traitement de l'information entrée-sortie « redondant ».

Mais la redondance assure la robustesse et la fiabilité - c'est ce qui nous permet de continuer à voir d'un seul œil. Cette capacité est essentielle à la survie. En fait, elle est si cruciale que les connexions entre ces régions cérébrales sont anatomiquement câblées dans le cerveau, un peu comme une ligne téléphonique fixe.

Cependant, toutes les informations fournies par les yeux ne sont pas redondantes. La combinaison des informations fournies par les deux yeux permet au cerveau de traiter la profondeur et la distance entre les objets. C'est la raison d'être de nombreux types de lunettes 3D au cinéma.

Il s'agit d'un exemple d'une manière fondamentalement différente de traiter l'information, d'une manière qui est plus grande que la somme de ses parties. Nous appelons ce type de traitement de l'information - lorsque des signaux complexes provenant de différents réseaux cérébraux sont intégrés - « synergique ».

Le traitement synergique est le plus répandu dans les régions du cerveau qui soutiennent un large éventail de fonctions cognitives plus complexes, telles que l'attention, l'apprentissage, la mémoire de travail, la cognition sociale et numérique. Il n'est pas inscrit dans les gènes en ce sens qu'il peut évoluer en fonction de nos expériences, en connectant différents réseaux de différentes manières. Cela facilite la combinaison des informations.

Ces zones où se produit une grande synergie - principalement à l'avant et au milieu du cortex (la couche externe du cerveau) - intègrent différentes sources d'information provenant de l'ensemble du cerveau. Elles sont donc plus largement et plus efficacement connectées au reste du cerveau que les régions qui traitent les informations sensorielles primaires et les informations liées au mouvement.

Les zones à haute synergie qui favorisent l'intégration des informations sont aussi généralement dotées de nombreuses synapses, ces connexions microscopiques qui permettent aux cellules nerveuses de communiquer.

La synergie est-elle ce qui nous rend spéciaux ?

Nous voulions savoir si cette capacité à accumuler et à construire des informations à travers des réseaux complexes dans le cerveau était différente entre l'homme et les autres primates, qui sont des parents proches de nous en termes d'évolution.

Pour le savoir, nous avons examiné les données d'imagerie cérébrale et les analyses génétiques de différentes espèces. Nous avons constaté que les interactions synergiques représentent une proportion plus élevée du flux total d'informations dans le cerveau humain que dans celui des macaques. En revanche, les cerveaux des deux espèces sont égaux en ce qui concerne le recours aux informations redondantes.

Cependant, nous avons également examiné spécifiquement le cortex préfrontal, une zone située à l'avant du cerveau qui soutient un fonctionnement cognitif plus avancé. Chez les macaques, le traitement des informations redondantes est plus répandu dans cette région, alors que chez l'homme, il s'agit d'une zone à forte synergie.

Le cortex préfrontal a également connu une expansion significative au cours de l'évolution. Lorsque nous avons examiné des données provenant de cerveaux de chimpanzés, nous avons constaté que plus la taille d'une région du cerveau humain avait augmenté au cours de l'évolution par rapport à celle de son homologue chez le chimpanzé, plus cette région s'appuyait sur la synergie.

Nous avons également examiné les analyses génétiques effectuées sur des donneurs humains. Ces analyses ont montré que les régions du cerveau associées au traitement des informations synergiques sont plus susceptibles d'exprimer des gènes spécifiquement humains et liés au développement et au fonctionnement du cerveau, tels que l'intelligence.

Nous en avons conclu que d'autres tissus cérébraux humains, acquis au fil de l'évolution, pourraient être principalement dédiés à la synergie. Il est donc tentant de supposer que les avantages d'une plus grande synergie peuvent, en partie, expliquer les capacités cognitives supplémentaires de notre espèce. La synergie pourrait ajouter une pièce importante au puzzle de l'évolution du cerveau humain, qui manquait jusqu'à présent.

En fin de compte, nos travaux révèlent comment le cerveau humain gère le compromis entre la fiabilité et l'intégration des informations - nous avons besoin des deux. Il est important de noter que le cadre que nous avons développé promet d'apporter de nouvelles connaissances essentielles à un large éventail de questions neuroscientifiques, qu'il s'agisse de la cognition générale ou des troubles de la santé.

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_{Source : The conversation}