Les neurones traitent « rien » comme un nombre, selon une étude
Dans une étude récente publiée dans Biologie actuelleles chercheurs ont découvert comment le cerveau humain traite le concept de zéro, révélant que des neurones spécifiques du lobe temporal médial traitent le zéro comme un nombre plutôt que comme un symbole du néant. Ces cellules nerveuses ont répondu à zéro d’une manière qui l’intègre à d’autres petits nombres, comme un et deux. Cette découverte apporte un nouvel éclairage sur la manière dont le cerveau code l’un des concepts mathématiques les plus abstraits et les plus importants.
« Nous souhaitons généralement comprendre comment le cerveau représente les nombres, mais zéro est un cas vraiment unique. Zéro est considéré comme l’une des plus grandes réalisations culturelles de l’humanité, faisant partie intégrante de nombreuses avancées scientifiques et mathématiques. Cependant, zéro est un concept particulièrement abstrait et difficile », expliquent les auteurs de l’étude. Florian Mormann et Andreas Niederprofesseur Lichtenberg de neurophysiologie cognitive et clinique à l’hôpital universitaire de Bonn et professeur de physiologie animale à l’université de Tübingen, respectivement.
« Il a fallu une longue période de l’histoire humaine pour que zéro soit reconnu et apprécié. Les enfants montrent une compréhension tardive du concept de numéroté nulle, longtemps après avoir compris les entiers positifs. Les animaux non humains, avec lesquels nous partageons un système de quantification non verbale, font preuve d’une compréhension rudimentaire de la nombreuse zéro.
« Pour un cerveau qui a évolué pour traiter les stimuli sensoriels (« quelque chose »), concevoir des ensembles vides (« rien ») comme une catégorie significative exige une abstraction de haut niveau. Cela nécessite la capacité de représenter un concept indépendamment de l’expérience et au-delà de ce qui est perçu. Le cerveau doit interpréter « rien » comme « quelque chose », comme un objet mathématique.
L’étude a porté sur dix-sept participants qui suivaient un traitement neurochirurgical pour l’épilepsie. Ces patients avaient de fines électrodes implantées dans leurs lobes temporaux médiaux dans le cadre de leurs préparations préchirurgicales. Ces électrodes ont permis aux chercheurs de mesurer l’activité de neurones individuels en temps réel pendant que les participants effectuaient des tâches numériques.
Les tâches consistaient à montrer aux participants des nombres compris entre zéro et neuf, présentés sous deux formats : symbolique (chiffres arabes) et non symbolique (ensembles de points). Dans le format non symbolique, un ensemble vide de points représentait zéro. Les participants devaient décider si les nombres présentés étaient pairs ou impairs. Au cours de ce processus, les chercheurs ont surveillé l’activité de neurones individuels, dans le but de trouver des neurones spécifiques répondant au concept de zéro. Dans une expérience témoin, dix-neuf volontaires sains ont réalisé une version simplifiée de la tâche visant à comparer les réponses comportementales entre des individus épileptiques et non épileptiques.
Les chercheurs ont découvert que certains neurones du lobe temporal médial répondaient spécifiquement au concept de zéro, sous des formes symboliques ou non symboliques. Ces neurones ont montré ce que l’on appelle un « effet de distance numérique », dans lequel ils réagissaient non seulement à zéro mais aussi à son nombre voisin, un, bien que plus faiblement. Cela démontre que le cerveau ne traite pas le zéro comme une catégorie unique ou distincte de « néant ». Au lieu de cela, il intègre le zéro dans le continuum numérique plus large.
« Ce qu’il faut retenir, c’est que nous avons des neurones dans notre cerveau qui signalent le nombre zéro, même si zéro est caractérisé par une valeur nulle et l’absence d’éléments à compter », ont déclaré Mormann et Nieder à PsyPost. « En même temps, ces neurones représentent zéro comme tout autre nombre dénombrable en présentant leur activation la plus forte pour zéro et en diminuant progressivement leur activation pour les nombres adjacents. En d’autres termes, les neurones sont réglés sur zéro, ils ont zéro comme chiffre bien-aimé.
Cependant, il existait une différence essentielle dans la manière dont les neurones traitaient le zéro en fonction de son format. Lorsque zéro était présenté symboliquement sous forme de chiffre, les neurones le traitaient de la même manière que les autres nombres. Mais lorsque zéro était représenté de manière non symbolique, sous la forme d’un ensemble vide de points, les neurones mettaient plus de temps à répondre. Cette réponse plus lente indique que le cerveau a besoin de plus de temps pour traiter les représentations non symboliques de zéro, probablement parce qu’il s’agit d’un format plus abstrait et moins familier que les chiffres.
« Les neurones codant pour les ensembles vides ou le chiffre arabe 0 représentent les ensembles vides comme la plus petite quantité sur la ‘ligne numérique mentale’, car ils répondent plus fortement à zéro et systématiquement moins à des nombres de plus en plus élevés », ont expliqué les chercheurs. « Cela démontre ce qu’on appelle l’effet de distance numérique. Sans cet effet de distance neuronale, les neurones représenteraient simplement une catégorie « rien », dépourvue de signification numérique. Cependant, ces neurones nuls représentent une valeur numérique inférieure à un.
Comme pour toute étude, il y avait des limites. Une limitation majeure était l’utilisation de patients épileptiques pour les enregistrements cérébraux. Ces patients se sont fait implanter des électrodes dans le cerveau dans le cadre de leur traitement médical, ce qui signifie que les chercheurs ne pouvaient pas choisir librement l’emplacement exact des électrodes. Le placement a été déterminé par les besoins cliniques et non par les exigences de l’étude.
« Les enregistrements neuronaux ont été réalisés chez des patients atteints d’épilepsie pharmacologiquement intraitable et à qui avaient été implantées des électrodes de profondeur chroniques », ont noté Mormann et Nieder. « En conséquence, l’activité électrique capturée peut provenir de régions du cerveau contenant des tissus pathologiques. De plus, l’emplacement des électrodes d’enregistrement dans les régions du cerveau ne peut être choisi librement ; il doit respecter les exigences et les considérations cliniques.
Un domaine d’exploration future consiste à déterminer si le concept de zéro est traité différemment en fonction du contexte ou de l’arrière-plan culturel de l’individu. Étant donné que zéro est un développement relativement récent dans l’histoire de l’humanité et l’un des concepts les plus difficiles à comprendre pour les enfants, étudier la manière dont différentes expériences éducatives ou culturelles influencent sa représentation neuronale pourrait fournir des informations supplémentaires sur la manière dont le cerveau s’adapte à de nouveaux concepts abstraits.
« Tous nos comportements et nos capacités mentales découlent du fonctionnement des neurones du cerveau », ont déclaré les chercheurs. « Notre objectif est de comprendre de manière mécanique comment l’activité de neurones individuels et d’ensembles de neurones donne lieu au comptage, à l’arithmétique et aux mathématiques. Cette compréhension sera également cruciale pour aider les personnes présentant des déficits spécifiques liés aux chiffres, tels que la dyscalculie développementale (difficultés d’apprentissage avec les chiffres) et l’acalculie, qui fait référence à des déficits acquis en calcul à la suite de lésions cérébrales.
L’étude, « Représentation d’un seul neurone du nombre zéro non symbolique et symbolique dans le lobe temporal médial humain», a été rédigé par Esther F. Kutter, Gert Dehnen, Valeri Borger, Rainer Surges, Andreas Nieder et Florian Mormann.
