La neuroscience de la maîtrise par l’apprentissage par essais et erreurs

Les cellules de Purkinje du cervelet ajustent les mouvements moteurs coordonnés.

Dessin des cellules de Purkinje (A) et des cellules granulaires (B) du cervelet de pigeon par Santiago Ramón y Cajal, 1899; Instituto Cajal, Madrid, Espagne.

Source: Wikipedia / domaine public

Une équipe de chercheurs de l’Université Johns Hopkins a découvert de nouveaux détails passionnants sur la façon dont les cellules de Purkinje cérébelleuses maîtrisent les mouvements complexes grâce à un processus d’essai où chaque erreur survenant pendant la pratique améliore la coordination motrice. Cet article, “Encodage des erreurs et apprentissage de la correction de cette erreur par les cellules de Purkinje du cervelet”, a été publié en ligne le 16 avril dans la revue Nature Neuroscience .

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L’aspect le plus important de cette étude est que l’auteur principal Reza Shadmehr, professeur de génie biomédical et de neurosciences à la faculté de médecine de l’Université Johns Hopkins, et ses collègues ont mis en évidence le fonctionnement des cellules de Purkinje. Cette recherche ajoute une nouvelle perspicacité et des preuves empiriques à l’appui des articles marquants du XXe siècle qui spéculaient sur ce que faisaient les mystérieuses cellules de Purkinje, comme «Le cervelet comme machine neuronale» (John Eccles et al., 1967). Théorie du cortex cérébelleux »(David Marr, 1969) et« Une théorie de la fonction cérébelleuse »(James S. Albus, 1971).

Cervelet (latin pour “petit cerveau”) en rouge. “Cervelet” signifie “se rapportant au cervelet ou situé dans celui-ci”.

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Source: Base de données Sciences de la vie / Wikipedia Commons

Un communiqué de presse du 3 mai 2018 sur la recherche de cellules de Purkinje à la fine pointe de la technologie menée par Johns Hopkins Medicine, «Decoding the Brain ‘Learning Machine», décrit le cervelet comme une «machine d’apprentissage» dans le cerveau des mammifères. Leur étude la plus récente sur les singes montre que les cellules de Purkinje font des prédictions et apprennent à maîtriser des tâches complexes en corrigeant constamment les petites erreurs. Avec la pratique, les erreurs diminuent et la précision augmente. Au fil du temps, cela se traduit par ce que j’appelle la ” superfluidité “.

Source: Wikipedia / Creative Commons

En tant qu’exemple athlétique de la maîtrise cérébelleuse basée sur Purkinje, la déclaration dit: “En apprenant à tirer sur un ballon de basket, les gens manquent souvent plusieurs fois avant de tirer un coup dans le cerceau. Au fur et à mesure que le bras bouge, le cervelet fait des prédictions sur les conséquences de l’action. Lorsque la prédiction ne correspond pas à la réalité, c’est-à-dire que la balle manque au cerceau, le cervelet reçoit des informations des yeux et du bras pour tirer des leçons de l’erreur, des facteurs tels que la visée, la force et la libération. Ce même processus d’apprentissage cérébelleux par essais et erreurs se produit dans tous les sports et permet d’expliquer pourquoi la pratique est parfaite. Notamment, avoir un «œil pour la balle» est aussi directement lié au cervelet et à notre réflexe vestibulo-oculaire (VOR).

Les cellules de Purkinje maîtrisent l’apprentissage par essais et erreurs via les pics “simples” et “complexes”

Selon les dernières recherches de Johns Hopkins, les cellules de Purkinje communiquent via deux types de signaux électriques appelés «pics simples» et «pics complexes». Les pics simples reflètent les prédictions des cellules de Purkinje sur les mouvements optimaux. Les pics complexes reflètent les informations envoyées à un groupe de cellules de Purkinje pour leur indiquer s’il y a eu une erreur dans la prédiction ou si la synchronisation et la vitesse d’un mouvement étaient exactes. Pour chaque compétence motrice unique, les cellules spécialisées de Purkinje reçoivent toutes le même message d’erreur et semblent fonctionner de concert lorsqu’elles effectuent les corrections motrices appropriées en fonction d’une erreur spécifique.

“Vous pouvez considérer les simples pics comme” l’élève “qui fait une prédiction et les pics complexes comme le” professeur “qui fournit une rétroaction”, a déclaré Shadmehr dans un communiqué.

Selon Shadmehr, «l’un des avantages de l’architecture du cervelet réside dans le fait qu’il protège les souvenirs». Une fois que la mémoire musculaire nécessaire pour faire quelque chose qui est principalement cérébelleux (comme le vélo) est martelée et forgée dans les cellules de Purkinje, les pics complexes associés à la coordination de cette compétence motrice deviennent câblés.

Le typage tactile repose sur l’apprentissage cérébelleux basé sur Purkinje

Maîtriser les techniques de «saisie tactile» sans regarder le clavier est un exemple quotidien parfait d’apprentissage par essais et erreurs basé sur Purkinje. La prochaine fois que vous êtes sur un clavier, placez les pointes de vos index gauche et droit sur les petites crêtes des touches “F” et “J” respectivement. En plaçant vos mains dans cette «position d’origine», vous guidez votre cervelet pour savoir automatiquement où se trouvent tous vos doigts par rapport à des touches spécifiques. Cela crée une prévisibilité via la proprioception cérébelleuse.

Pouvez-vous taper ” le renard roux rapide saute par-dessus le chien brun paresseux ” sans regarder les touches? Si oui, combien de fois en une minute pouvez-vous taper ces 10 mots? Cette phrase a toutes les lettres de l’alphabet et est un étalon-or pour tester la capacité de saisie tactile de quelqu’un. Avec de la pratique, vos doigts apprendront implicitement où se trouvent toutes les touches et vous pouvez maîtriser la saisie de plus de 40 mots par minute (WPM), ce qui est considéré comme une vitesse “moyenne”.

Sur la base des dernières recherches de Johns Hopkins sur l’apprentissage par essais et erreurs, on peut supposer que plus vous corrigez les erreurs en tapant ” le renard roux rapide saute par-dessus le chien paresseux “, des grappes de cellules Purkinje sont affinées maîtriser cette compétence via des pics simples et complexes.

Fait intéressant, une fois la capacité implicite de votre cervelet à prédire où se trouvent les lettres appropriées sans regarder vers le bas, la plupart des dactylographes perdent leur connaissance cérébrale et leur mémoire déclarative de pouvoir dire où chaque lettre se trouve sur un clavier QWERTY. Pour l’anecdote, je peux corroborer ce phénomène. En tant que personne ayant été tapé depuis le lycée, afin de décrire les deux touches avec des arêtes ressemblant à du braille, j’ai dû regarder le clavier pour vérifier que “F” et “J” sont des endroits où je place intuitivement les astuces. de mes index à chaque fois que je commence à taper.

Si quelqu’un vous demandait où se trouvent les touches home (A, S, D et F pour la main gauche et J, K, L, et le point-virgule pour la main droite), connaissez-vous la réponse? (Quelques anecdotes: le nom de cette disposition de clavier standardisée provient de la séquence de six lettres en haut, la rangée supérieure gauche.)

Vous trouverez ci-dessous une vidéo de 2 minutes de chercheurs de l’Université Vanderbilt qui montre comment nous pouvons apprendre à taper automatiquement sans aucune connaissance explicite de l’emplacement des touches de lettres spécifiques:

Les dommages à la structure ou à la connectivité fonctionnelle du cervelet peuvent avoir un impact profond sur la capacité de quelqu’un à coordonner et à exécuter les mouvements moteurs de manière fluide. Les maladies affectant le cervelet entraînent généralement diverses formes d’ataxie et de dysmétrie. L’une des applications potentielles des dernières recherches de Johns Hopkins sur les cellules de Purkinje et le processus cérébelleux d’apprentissage par essais et erreurs pourrait être le développement de méthodes plus sophistiquées pour le diagnostic des anomalies cérébelleuses.

Un autre article, “L’activité locomotrice module l’apprentissage associatif dans le cervelet de souris”, a également été publié le 16 avril dans Nature Neuroscience. Cette étude   ont constaté que les souris qui courent plus vite sur un tapis roulant apprennent les tâches de mémoire implicite plus rapidement que leurs homologues fonctionnant plus lentement. Pour plus de détails, voir “Pourquoi accélérer plus vite l’acquisition de connaissances dans le cervelet?”

Les références

David J. Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo et Reza Shadmehr. “Encodage de l’erreur et apprendre à corriger cette erreur par les cellules de Purkinje du cervelet.” Nature Neuroscience (Publié en ligne le 16 avril 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0136-y

David J., Herzfeld, Yoshiko Kojima, Robijanto Soetedjo et Reza Shadmehr. “Codage de l’action par les cellules de Purkinje du cervelet.” Nature (2015) DOI: 10.1038 / nature15693

John Eccles, Janos Szentágothai et Masao Ito. “Le cervelet comme une machine neuronale.” New York: Springer Verlag; (1967)

David Marr. “Une théorie du cortex cérébelleux” The Journal of Physiology (1969) DOI: 10.1113 / jphysiol.1969.sp008820

James S. Albus. “Une théorie de la fonction cérébelleuse.” Mathematical Biosciences (1971) DOI: 10.1016 / 0025-5564 (71) 90051-4

Piergiorgio Strata. “La théorie de l’apprentissage du cervelet chez David Marr: 40 ans plus tard” The Journal of Physiology (2009) DOI: 10.1113 / jphysiol.2009.180307

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett et Megan R. Carey. “L’activité locomotrice module l’apprentissage associatif dans le cervelet de souris.” Nature Neuroscience (Publié en ligne le 16 avril 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0129-x