L'histoire d'une étude de l'esprit

Rebecca Saxe veut savoir comment notre cerveau apprend à être social.

Plus précisément, Saxe, professeure agrégée de neurosciences cognitives au département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT, a construit sa carrière en essayant de comprendre comment nous portons des jugements sur les pensées des autres, une faculté surnommée Theory of Mind (ToM).

Nos cerveaux effectuent la cognition ToM pour déchiffrer ce qui se cache derrière un sourire, une grimace, une prise dans la voix de quelqu'un. Comme l'écrit Saxe, ToM est le mécanisme utilisé par les gens pour déduire et raisonner sur l'état d'esprit d'une autre personne. Pour suivre la ToM, elle a dû maîtriser l'art de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Les scanners IRMf sont encombrants et difficiles à bien utiliser, et leurs résultats sont difficiles à interpréter. Mais Saxe est devenue une virtuose de la machine, à partir du moment où, en tant que post-doctorante, elle est venue se débattre avec un problème qui, selon elle, lui fait encore rêver.

Au début du développement, explique-t-elle, le cerveau humain semble être une collection de neurones très similaires à ceux qui forment le cerveau de beaucoup d'autres créatures. Mais ensuite, nous acquérons des capacités qui n'ont aucun parallèle dans le règne animal. Comment? Que se passe-t-il dans la maturation des cerveaux pour créer la vie de l'esprit qui nous distingue en tant qu'êtres humains ?

C'est une énorme question, le travail d'une vie. Mais un examen attentif d'une seule des expériences de Saxe donne une idée de ce qu'il faut pour distiller le sens des mesures et offre un aperçu de la vie professionnelle d'une scientifique au sommet de son art.

Saxe, un Canadien de 33 ans, est aux prises avec des cerveaux depuis les années 1990, commençant comme étudiant de premier cycle à Oxford. Elle a commencé à se concentrer sur le concept de ToM à l'école supérieure du MIT, travaillant dans le laboratoire de Nancy Kanwisher '80, PhD '86, où elle a identifié les systèmes cérébraux qui sont activés lorsque quelqu'un pense à l'état d'esprit de quelqu'un d'autre. Le neuroscientifique cognitif Jon Simons de l'Université de Cambridge, spécialisé dans l'étude de la mémoire, affirme que Saxe a conçu des expériences réfléchies qui ont fourni des données intéressantes et fiables. Il est tentant de penser que la grande science est ces grandes percées, dit-il. [Mais] c'est ainsi que se fait la bonne science. C'est faire des études rigoureuses dans les moindres détails qui créent des résultats qui durent.

Saxe a franchi une étape importante en 2005, lorsqu'elle a commencé à se demander si elle pourrait étudier des enfants aussi jeunes que cinq ans pour voir comment le système ToM se développe au fil du temps. Le barrage routier ? À cette époque, très peu de chercheurs dans le monde ont tenté de placer des enfants dans un appareil d'IRMf, ce qui oblige les gens à rester assis pendant 40 minutes ou plus. Mais l'un de ces chercheurs était Kevin Pelphrey, alors à l'Université Duke. Saxe lui a écrit en octobre 2005, aveugle, dit-elle, en proposant une expérience qui scannerait le cerveau des enfants pendant qu'ils traitaient des histoires centrées sur les pensées des gens. Je lui ai dit que j'écrirais l'expérience et que vous pouvez faire les scans chez Duke, se souvient-elle. Pelphrey, que Saxe considère comme l'un des collaborateurs les plus généreux, a dit bien sûr, redescendre, mais d'ici février. Ainsi, Saxe n'avait que quelques semaines pour prendre le germe d'une idée et la transformer en un protocole réalisable.

Mon petit ami et moi étions assis à la table de la cuisine, dit-elle, et j'ai écrit de petites histoires qui contenaient les pensées des gens. Elle a conçu une douzaine de récits, en ajoutant des dessins pour les accompagner. Les sujets seraient exposés à trois segments par récit pendant 20 secondes chacun : une description d'un environnement physique, avec une image dessinée à la main pour l'illustrer ; une description des caractères humains; et un segment mental qui offrait des informations sur ce qui se passait dans leur esprit. Pour s'assurer que les résultats ne seraient pas influencés par la réaction d'un sujet à l'ordre des segments, chaque enfant de l'étude entendrait les mêmes histoires, mais avec les segments disposés dans des ordres différents. Après avoir écouté chaque histoire, les enfants devaient répondre à une question par oui ou par non qui les obligeait à déduire ce que le personnage principal pourrait faire ensuite. Ensuite, après une brève pause, une autre histoire commençait, et ainsi de suite, jusqu'à ce que le sujet ait parcouru le protocole complet de 12 récits distincts, au cours de sessions de numérisation qui duraient environ 40 minutes.

Quelques jours après avoir terminé la conception expérimentale, Saxe est allée chez Duke. Le premier sujet, une fille d'environ 10 ans, est arrivé vers le milieu de la matinée et l'équipe l'a installée dans le scanner. Dans la salle de contrôle, Saxe pouvait voir les deux petits pieds de l'enfant sortir de la bouche de la machine. Alors que le scanner commençait à émettre son bourdonnement habituel et son clic-clic-clic, Saxe était nerveux. Bien consciente que toute nouvelle expérience a de multiples chemins vers l'échec, elle savait qu'elle était également confrontée à un risque plus fondamental. Certaines recherches ont suggéré que les enfants de moins de cinq ans peuvent déjà faire des inférences ToM. Il y avait donc de fortes chances qu'elle et ses collaborateurs ne trouvent rien du tout : les régions ToM de ces enfants pourraient ressembler à celles des personnes plus âgées.

Pire encore, alors qu'elle effectuait son premier scan, Saxe n'avait aucun moyen de vérifier si elle trouverait quelque chose d'intéressant. Bien que la technologie IRMf soit communément imaginée (ou redoutée) comme une sorte de sonde que vous pouvez utiliser pour simplement lire le contenu des pensées des gens, la réalité est beaucoup moins dramatique et beaucoup plus exigeante pour le chercheur.

Certains des problèmes sont purement techniques. Les appareils d'IRMf ne mesurent l'activité cérébrale qu'indirectement. Lorsque les neurones se déclenchent, ils aspirent de l'oxygène pour se préparer à se déclencher à nouveau. Cela évoque une demande de plus d'oxygène - délivré par le sang. Lorsqu'une région du cerveau a besoin de plus de carburant, le rapport local entre le sang oxygéné et le sang désoxygéné se décale d'une fraction. Le sang oxygéné a des propriétés magnétiques différentes de la version désoxygénée, et les appareils d'IRMf mesurent les légers changements qui en résultent dans les champs magnétiques locaux.

Mais ce n'est pas une mince affaire. Le cerveau se déplace légèrement dans le crâne à chaque respiration et battement de cœur, et les gens – en particulier les enfants ! – ne restent pas parfaitement immobiles pendant une heure. Nous avons une machine oscillante, pulsante et vacillante qui consomme de grandes quantités d'oxygène pour de nombreuses raisons, au-dessus desquelles nous essayons de mesurer un signal minuscule, explique Saxe. Ensuite, il y a le problème de synchronisation : l'activation neurale prend des fractions de seconde, mais les changements dans les niveaux d'oxygène dans le sang se produisent sur six secondes ou plus - et les niveaux ne reviennent pas toujours au même nombre de base, ce qui ajoute au désordre. Par conséquent, dit Saxe, nous effectuons une correction de mouvement. Nous effectuons un lissage spatial pour éliminer une partie du bruit. Nous filtrons temporellement tout ce qui se passe sur 10 minutes ou plus - l'échelle de temps sur laquelle des artefacts tels que le chauffage du scanner apparaîtraient dans les données. Il faut des heures d'analyse pour localiser un signal, le tout juste pour commencer à comprendre ce que toute mesure pourrait signifier.

En fin de matinée, le premier enfant a terminé sa liste d'histoires, puis l'équipe a répété la séquence avec le deuxième et dernier sujet de la journée, un garçon de neuf ans. Lorsqu'il est descendu du scanner, la plupart des membres du groupe ont prévu de sortir dîner.

Saxe est resté en arrière. Commence alors la phase de travail en profondeur de l'expérience : transformer les nombres bruts du scan en une forme pouvant être analysée. Les heures passèrent. Les collègues de Saxe ont mangé et sont revenus. Elle est restée devant l'ordinateur. En fin de soirée, elle avait terminé le traitement du premier passage. Artefacts de mouvement – ​​disparus ; bruit de la machine - sous contrôle ; image après image, l'invite correspond à l'action neuronale.

Ce qu'elle a vu a permis à Saxe d'exhaler : elle avait des données. L'équipe avait démontré qu'il était possible d'obtenir des résultats utilisables d'enfants que la plupart des chercheurs estimaient trop agités pour les imager. Plus important encore, alors qu'ils rassemblaient des scans de sujets aussi jeunes que six ans, Saxe et Pelphrey ont trouvé quelque chose de nouveau. Les enfants plus âgés ressemblaient à peu près à des adultes, dit Saxe. Leurs régions ToM se sont illuminées lorsqu'ils ont entendu un segment qui les a forcés à réfléchir à ce que quelqu'un d'autre pensait, mais pas pendant les parties des histoires qui décrivent simplement quelqu'un en train de faire quelque chose. Mais les scans des petits enfants étaient différents. Leurs régions cérébrales répondaient à tout ce qui concernait les gens, pas seulement aux anecdotes sur les états mentaux des gens, mais à tout ce qui concernait les personnes présentes.

Il y a plusieurs manières d'expliquer ce résultat, mais Saxe privilégie ce qu'elle appelle une idée folle : que le cerveau commence avec une faculté polyvalente de réflexion sur l'interaction sociale, puis se spécialise. Son équipe a commencé à discerner qu'à mesure que nous grandissons, nos régions cérébrales abandonnent certains emplois pour devenir expertes dans d'autres.

Cette affirmation est encore provisoire, mais des travaux ultérieurs dans le laboratoire de Saxe et ailleurs l'ont renforcée. Maintenant, dit Saxe, nous pensons avoir un modèle de développement. Maintenant, nous voulons savoir comment et pourquoi ce développement se produit et ce qui peut le faire changer. Pour le savoir, son laboratoire mène des études sur les différentes voies de spécialisation ToM. L'un regarde les enfants sur le spectre de l'autisme ; un autre examine les enfants aveugles, qui engagent les pensées des autres par l'ouïe plutôt que par la vue ; et un troisième enquête sur des enfants sourds, dont certains sont exposés au langage relativement tard si leurs parents ne savent pas signer. Aucun n'a encore donné de résultats définitifs.

Saxe n'est plus un post-doctorant libre. Elle dirige un laboratoire maintenant, et elle n'est toujours pas habituée à tout ce qu'il faut pour faire de la science à une échelle de plus en plus grande. Plus d'une douzaine de chercheurs sont impliqués dans une seule des nouvelles études, dit-elle. Il y a une note d'émerveillement - d'incrédulité, vraiment - lorsqu'elle ajoute : à l'époque, c'était juste moi qui dessinais sur ma table. Maintenant, nous avons besoin d'une personne à 100% pour suivre ce projet.

Pourtant, en disant cela, elle sourit. Elle et ses collègues ont publié les résultats de l'étude Duke en 2009, mais il y a quelque chose qui n'est pas apparu sur la page - un aspect de la science qui ne peut être capturé dans aucun décompte sans effet des données. Cette nuit en Caroline du Nord, ce premier moment où ça a marché ? elle dit. C'était passionnant.

Un exemple d'histoire de l'expérience ToM des enfants

Segment physique :
Derrière la grande grange rouge au bord de la noyeraie se trouve le plus magnifique étang du quartier. Il est large et profond, et ombragé par un vieux chêne. Il y a toutes sortes de choses dans cet étang : des poissons et de vieilles chaussures, des jouets et des tricycles perdus, et bien d'autres surprises.

Segment de personnes :
Le vieux M. McFeeglebee est un vieux fermier gris et froissé, qui porte une vieille salopette grise froissée et de vieilles bottes grises froissées. Il a vécu sur cette terre toute sa vie, plus longtemps même que la plupart des arbres. Little Georgie est le neveu de la ville de M. McFeeglebee.

Segment mental :
M. McFeeglebee ne veut pas que des petits garçons pêchent dans l'étang. Mais la petite Georgie fait semblant de ne pas s'en apercevoir. Il aime tellement la pêche, et en plus, il sait qu'il peut courir plus vite que n'importe qui en ville. Georgie décide de s'enfuir très vite si M. McFeeglebee le voit pêcher.

Question:
Qu'en penses-tu? La petite Georgie pêche-t-elle dans l'étang ? [pause] Bon travail ! C'est l'heure de la prochaine histoire !

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