Si, avant de recevoir une boulette de viande, un chien entend systématiquement le tintement d'une clochette, ce son suffira bientôt à le faire saliver, même en l'absence de nourriture. Ce conditionnement ou réflexe pavlovien est réalisé en établissant des connexions entre les représentations mentales d'événements consécutifs. Quel rôle joue cet « apprentissage associatif » élémentaire quand notre cerveau humain apprend ?
Mais pour commencer, comment étudier le cerveau apprenant à l'aide de sons, par exemple ? Les chercheurs de Joliot utilisent des séquences de sons différents qu'ils visualisent sous forme de réseau, en s'inspirant du formalisme de la théorie des graphes. Chaque son est représenté par un nœud et la succession des sons est matérialisée par des flèches.
Dans une étude comportementale antérieure, ils avaient montré que les adultes sont sensibles à la structure en réseau de séquences auditives, même si celles-ci sont incomplètes. Or cette capacité remarquable peut s'expliquer par un modèle mathématique compatible avec les principes de l'apprentissage associatif. Il restait à le prouver.
Apprentissage de séquences sonores complexes
Pour cela, leurs travaux les plus récents utilisent une structure de réseau plus complexe, constituée de deux sous-réseaux ou « communautés ». Sur la plateforme de magnétoencéphalographie de NeuroSpin, ils ont exposé 16 femmes et sept hommes volontaires à ces structures sonores et ont mesuré leur activité cérébrale.
En combinant les mesures de magnétoencéphalographie et des modèles mathématiques, ils montrent que, malgré l'uniformité des probabilités de transition entre sons consécutifs, l'activité cérébrale des participants révèle une sensibilité à la structure du réseau. En particulier, le passage d'une communauté de sons à l'autre s'accompagne d'une réponse cérébrale spécifique d'une « déviation » à ∼150 ms.
Cette différence précoce dans les réponses cérébrales aux transitions entre sons prouve un encodage rapide et automatique de la structure de la séquence. De plus, en utilisant des outils d'apprentissage machine, les neurobiologistes ont pu estimer la durée du chevauchement des représentations mentales de chaque son.
Leur travail démontre que l'apprentissage associatif est bien le mécanisme qui sous-tend la découverte de la structure de séquences auditives organisées en réseau et met en lumière ses bases neuronales. Cette tâche n'exige donc pas a priori des représentations abstraites de haut niveau.