Le cervelet nous aide à «savoir sans savoir» dans le sport et dans la vie

Une nouvelle recherche identifie comment le cervelet assure que la pratique rend parfait.

«Rendez-vous à l’endroit où se trouve la rondelle et non à celle où elle a été. Un bon joueur de hockey joue où est la rondelle; un excellent joueur de hockey joue là où la rondelle sera. »—Wayne Gretzky

La légende du hockey sur glace, Wayne Gretzky, aurait rendu cet adage surutilisé: «Patinez où sera la rondelle», interprété littéralement et de manière figurée par d’innombrables entraîneurs sportifs et entrepreneurs. Par exemple, à la veille du dévoilement de l’iPhone révolutionnaire en 2007, Steve Jobs aurait déclaré: «Il y a une vieille citation de Wayne Gretzky que j’aime beaucoup. «Je patine à l’endroit où la rondelle va être, pas où il a été.” Et nous avons toujours essayé de le faire chez Apple. Depuis le tout début. Et nous le ferons toujours. ”

Source: Pexels / Creative Commons

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La mécanique cérébrale et les habiletés motrices nécessaires pour «patiner automatiquement vers la rondelle» dans le monde du sport professionnel sont très similaires aux habiletés motrices du monde réel requises pour faire des choses de la vie quotidienne, comme aller à bicyclette au travail ou conduire sa voiture à fond. supermarché. Parmi les exemples exotiques d’habiletés motrices similaires, on peut citer la conduite d’un pousse-pousse dans le centre-ville de Tokyo en pleine heure de pointe ou les habiletés motrices précises que l’on pourrait observer dans un pub enfumé, où un maître Jedi du lancer de fléchettes avec une focalisation laser frappe l’intérieur du centre-ville. la chambre à chaque fois.

Avec la pratique, la plupart des gens peuvent acquérir la connaissance intellectuelle «explicite» pour apprendre à atteindre une cible statique ou mobile dans diverses conditions, ainsi que la connaissance intuitive «implicite» sur la manière d’exercer les habiletés motrices automatiquement et sans pensée excessive.

De manière générale, le contrôle moteur explicite implique des mouvements que vous pouvez décrire ou apprendre à exécuter à l’aide d’un langage déclaratif, tandis que le contrôle moteur implicite implique des mouvements finement coordonnés que vous ne pouvez apprendre à effectuer avec fluidité et précision qu’après beaucoup de pratique.

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D’un point de vue métacognitif des habiletés motrices utilisées pour rédiger cet article de blog: de nombreux dactylographes tactiles peuvent saisir plus de cent mots par minute sans baisser les yeux sur leur clavier QWERTY. Mais étonnamment, la majorité des dactylographes experts ne disposent pas de mémoire explicite ou déclarative indiquant où toutes les lettres sont physiquement situées sur le clavier. Cependant, une fois avec des années d’expérience en frappe au clavier, chaque index repose sur les crêtes en braille qui définissent les touches de raccourci «F» et «J». Il peut atteindre des vitesses de frappe extrêmement rapides sans effort.

Parce que j’ai appris les habiletés motrices implicites et explicites requises pour la frappe au clavier au lycée, je transcris rapidement ce paragraphe de flux de conscience dans l’obscurité de l’aube avant-gardiste sans regarder les clés. Tout comme le renard roux saute par-dessus le chien brun paresseux ou les patins de hockey de Wayne Gretzky sur glace, mes doigts peuvent glisser sur le clavier et frapper avec précision chaque lettre de l’alphabet pour terminer des phrases entières et des pensées plus rapides que mon esprit ne peut entièrement traiter la tâche à accomplir.

Cervelet (latin pour «petit cerveau») en rouge.

Source: Base de données des sciences de la vie / Wikipédia Commons

Du point de vue des neurosciences, on pourrait se demander: que font toutes ces habiletés motrices impliquant à la fois les aspects explicites de «savoir» exactement ce que vous voulez que vos muscles fassent et un sixième sens plus intuitif de «savoir sans savoir» où et comment? vous avez besoin de déplacer des parties de votre corps ont en commun? L’apprentissage moteur basé sur le cervelet est la solution.

Pour la première fois, des scientifiques japonais ont découvert que les mouvements de la main humaine reposaient sur deux types d’apprentissage moteur: (1) l’acquisition d’un contrôle moteur explicite et (2) l’acquisition d’un contrôle moteur implicite; qui, selon eux, reposent sur la fonction cérébelleuse. Les conclusions de cet article, «Des modèles internes en tandem exécutant l’apprentissage moteur dans le cervelet», ont récemment été publiées dans les Actes de la National Academy of Sciences .

Source: Pixabay / Creative Commons

Les neuroscientifiques s’interrogent depuis plus de trois décennies sur le fonctionnement des modèles internes d’acquisition de l’apprentissage moteur dans le cerveau. Une école de pensée était que le contrôle moteur précis dans notre vie quotidienne et sportive dépend d’un modèle interne consistant à «apprendre à se déplacer» (c.-à-d. Le calcul d’une destination spécifique pour une commande motrice donnée). L’autre école de pensée était que la maîtrise du timing exact d’une coordination motrice précise et d’une exécution motrice précise reposait davantage sur «l’apprentissage du mouvement» (c.-à-d. Le calcul d’une commande motrice spécifique nécessaire pour frapper une cible).

Selon leur école de pensée, les experts soutiendraient que le cerveau utilisait l’ un ou l’autre des modèles internes. Il est intéressant de noter que les chercheurs de l’Institut métropolitain des sciences médicales de Tokyo qui ont mené cette récente recherche sur le cervelet ont identifié que les deux modèles internes semblaient être nécessaires pour exécuter des mouvements précis et que l’apprentissage moteur implicite et explicite semblait impliquer le cervelet.

Comme l’expliquent les auteurs, «pour effectuer des mouvements habiles, les humains utilisent des prédictions issues de modèles internes formés par apprentissage par répétition. Cependant, l’organisation informatique des modèles internes dans le cerveau reste inconnue. Ici, nous démontrons qu’une architecture de calcul utilisant une configuration en tandem de modèles internes directs et inverses permet un apprentissage moteur efficace dans le cervelet. Le modèle prédit les adaptations d’apprentissage observées lors d’expériences approfondies sur des humains portant une lentille prismatique et explique les composantes cinétiques de ces adaptations comportementales. Le système en tandem prédit également une forme d’apprentissage moteur subliminal qui a été validée expérimentalement après l’entraînement des ratés intentionnels des cibles de la main. »

Lorsque les sujets portaient les lunettes à prisme, ils se touchaient à la droite des cibles. Cependant, après des mouvements répétitifs de la main, ils ont appris où se déplacer de l’erreur entre le point de contact et le point de la cible. En conséquence, ils ont explicitement touché les cibles. Notez qu’ils ne pouvaient pas implicitement toucher les cibles à ce stade. Après des exécutions explicites répétitives de mouvements corrects, ils touchent implicitement les cibles sans y penser.

Source: Institut métropolitain des sciences médicales de Tokyo

Pour cette expérience, l’auteur principal Takeru Honda et ses coauteurs ont demandé à des sujets humains de faire plusieurs fois un mouvement de la main avec l’index pour frapper une cible sur un écran tactile dans le mille. Après avoir maîtrisé cette technique, les participants ont été invités à mettre une paire de “lunettes à prisme” déformantes qui décalaient leur vision de quelques degrés vers la droite et leur donnaient l’illusion de penser que la cible était quelque part qu’elle n’était pas (comme un hockey palet). Au début, tout le monde a raté l’objectif, comme on pouvait s’y attendre. Mais après environ 10 tentatives, les gens ont compris comment les «lentilles à prisme» ont modifié leur vision et ont été en mesure de compenser de manière à atteindre la cible précisément dans le mille sans se tromper et «sans y penser».

Encore une fois, ce qui rend cette étude unique, c’est que les participants ont consciemment compris qu’ils devaient faire ces ajustements en utilisant des connaissances explicites, mais ces changements sont également devenus automatiques via un apprentissage moteur implicite subliminal. Ces résultats suggèrent qu’apprendre «où se déplacer» est nécessaire à l’exécution explicite de mouvements précis, alors que l’apprentissage «comment se déplacer» est nécessaire à l’exécution implicite de mouvements impeccables.

Les chercheurs ont notamment constaté que les personnes atteintes de cervelet avaient un déficit d’apprentissage moteur implicite et explicite. Dans une déclaration, les auteurs ont déclaré: «En effet, nous avons trouvé les deux types de déficits chez les patients cérébelleux en les évaluant à l’aide d’indices cliniques que nous avons développés. Par conséquent, les applications de cette découverte peuvent aider à développer des tests cliniques pour évaluer les capacités d’apprentissage de différents types de patients cérébelleux. Le test aidera à mesurer les effets de diverses réhabilitations ou de nouveaux traitements de l’ataxie cérébelleuse. Dans le domaine du sport, les résultats actuels aideront également à développer des méthodes efficaces d’entraînement pour les athlètes de haut niveau. ”

Théorie de la transformation universelle du cervelet et de la pensée

Une autre étude récente sur le cervelet et les fonctions de contrôle moteur et non motrice réalisée par Xavier Guell, Jeremy Schmahmann et John Gabrieli de l’Institut de recherche sur le cerveau McGovern au MIT et à la Harvard Medical School a été mise en ligne le 23 septembre en tant que préimpression. Cet article, «La spécialisation fonctionnelle est indépendante de la variation de microstructure dans le cervelet mais pas dans le cortex cérébral», avance une hypothèse selon laquelle la spécialisation fonctionnelle cérébelleuse n’est pas déterminée par la microstructure et que les fonctions cérébelleuses peuvent être constantes d’un point de vue du calcul, quel que soit le domaine.

Guell et al. résument leur hypothèse dans l’abrégé de l’étude: «Le cerveau humain est censé suivre les principes fondamentaux qui lient la forme (telle que la microstructure et la connectivité anatomique) à la fonction (processus perceptuel, moteur, cognitif, émotionnel, etc.). La majeure partie de cette compréhension repose sur la connaissance du cortex cérébral, où l’on pense que la spécialisation fonctionnelle est étroitement liée à la variation de la microstructure et à la connectivité anatomique. La théorie de la transformation cérébelleuse universelle (UCT) a postulé que le cervelet avait une organisation forme-fonction différente dans laquelle la microstructure est uniforme et dans laquelle la spécialisation fonctionnelle est déterminée uniquement par la connectivité anatomique avec des structures extracérébelleuses. Toutes les fonctions cérébelleuses peuvent donc être alimentées par un substrat commun microstructural – et donc computationnel “.

Jeremy Schmahmann, directeur de l’unité d’ataxie du Massachusetts General Hospital et chercheur pionnier qui a identifié pour la première fois le syndrome cognitif affectif cérébelleux (CCAS) en 1998, a décrit la portée de cette nouvelle étude sur Twitter: «Des preuves expérimentales puissantes et novatrices utilisant l’IRM cérébrale de la transformation universelle du cervelet et de la dysmétrie de la pensée. C’est-à-dire que le cervelet fait la même chose pour la cognition et les émotions que pour le contrôle moteur parce qu’il est construit de cette façon!

Références

Takeru Honda, Soichi Nagao, Yuji Hashimoto, Kinya Ishikawa, Takanori Yokota, Hidehiro Mizusawa, Masao Ito. «Des modèles internes en tandem exécutent l’apprentissage moteur dans le cervelet.» Actes de l’Académie nationale des sciences (pour la première fois en ligne: 25 juin 2018) DOI: 10.1073 / pnas.1716489115

Xavier Guell, Jeremy D. Schmahmann et John DE Gabrieli. «La spécialisation fonctionnelle est indépendante de la variation microstructurale dans le cervelet, mais pas dans le cortex cérébral.» BioRxiv ( Mise en ligne pour la première fois en tant que préimpression: 23 septembre 2018) DOI: 10.1101 / 424176