Autour de l’informatique. Cinquante nuances de matière grise

L’IRM de diffusion et la magnéto- et l'électro-encéphalographie permettent d’explorer la géographie du cerveau pour en comprendre le fonctionnement. © Inria / Photo C. Morel / ATHENA, Author provided

Cet article est publié en collaboration avec le blog Binaire.

À l'heure où nous commençons à déléguer à des algorithmes le soin de prendre certaines décisions humaines,  et confions aux machines de plus en plus de tâches qui réalisées par un humain auraient été qualifiées d'intelligentes, si nous nous tournions vers ce que nous comprenons aujourd'hui de notre cerveau ? Comment nous “fait-il prendre” des décisions ? Nous avons demandé à un collègue des neurosciences, Thomas Boraud, de nous éclairer sur ces sujets. Thomas Boraud dirige une équipe de recherche à l’Institut des maladies neurodégénératives à Bordeaux dont les travaux portent sur l’identification des substrats neurobiologiques des processus de prise de décision. Serge Abiteboul et Thierry Vieville, de Binaire

Bienvenu dans l'ère du neuro-essentialisme

Les neurosciences sont de plus en plus sollicitées par la société civile pour fournir une explication sur le fonctionnement de l'individu et son rapport à la société moderne. Heureux qu'on ait peu à peu laissé tomber les explications génétiques et la psychanalyse pour s'intéresser à leur discipline favorite, les neuroscientifiques se prêtent volontiers au jeu et apportent des explications sur les bases neurobiologiques de tel comportement (conduites à risque, procrastination, comportements criminels), de telle pathologie (addiction, autisme, trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité, stress post-traumatique) ou de tel fait de société (théorie des genres, racisme, réussite sociale).

Ils sont aidés par le développement de l'imagerie fonctionnelle qui fournit des supports visuels intelligibles par toutes et tous où s'allument comme par magie les zones cérébrales impliquées. S'il est indéniable que tout ce qui concerne le comportement humain a son origine dans le cerveau, il peut être utile néanmoins de tempérer cet engouement et d'en souligner les limites. Mieux appréhender ce que les neurosciences peuvent apporter comme éléments de réponse à des questions sociétales permettra de ne pas retomber dans les travers scientistes des deux siècles précédents qui se sont développés sur les paradigmes essentialistes (je donnerais comme exemples non exhaustifs la dérive suprématiste qui s'est développée à partir de la théorie de l'évolution, ou bien les tendances eugénistes inspirées par la génétique).

Tout d'abord, il peut être utile de rappeler que le cerveau ne fonctionne pas tout seul lorsqu'il génère un comportement, mais qu'il est en symbiose avec un corps lui-même en interaction avec un environnement. Cela engendre un certain nombre de contraintes physico-chimiques et temporelles qui doivent être prises en compte dans l'explication des origines du comportement.

Deuxièmement, le cerveau est un objet complexe au sens mathématique du terme. Pour comprendre son fonctionnement, il est indispensable d'utiliser une formalisation adaptée à la manipulation d'un nombre à priori indénombrable de paramètres. C'est l'adoption de ce cadre conceptuel qui a permis par exemple à la physique, d'effectuer sa révolution à la charnière du 19 ème et du 20 ème siècle. C'est encore loin d'être le cas dans notre domaine il faut donc rester très prudent en ce qui concerne la portée de notre compréhension des mécanismes neuronaux à l'origine des comportements. Enfin, il faut éviter de tomber dans un travers de déresponsabilisation de l'individu (ce n'est pas de ma faute, mais celle de mon cerveau). La question du libre-arbitre, nécessite un dialogue avec des philosophes, des juristes, des sociologues, etc. et le neuroscientifique ne peut fournir à lui seul qu'une réponse  simpliste.

Aux frontières de la rationalité

La neuro-économie a émergé dans ce contexte neuro-essentialiste. Tout commence par le constat effectué au milieu du 20 ème siècle que la rationalité est souvent prise en défaut lorsqu'il s'agit de prendre des décisions. Cette découverte remettant en question les fondements même de l'économie capitaliste (la prospérité émerge de l'interaction entre des agents économiques rationnels qui œuvrent pour leurs propres intérêts), les économistes furent d'abord déstabilisés. Ils se sont rapidement ressaisis et l'étude des contours de la rationalité est devenue leur nouvelle frontière. Il en est ressorti un certain nombre de théories (rationalité limitées, théorie des perspectives, paternalisme libéral) dont plusieurs ont été consacrées par des prix « Nobel » d'économie (Kahneman en 2002 ou Thaler en 2017 pour ne citer que les deux plus récents). On pourrait résumer ces travaux par 5 grands axes.

  1. La rationalité de l'agent est limitée par ses capacités cognitives et la quantité d'informations à sa disposition.

  2. Les agents ont tendance à présenter un certain nombre de biais cognitifs qui influencent leurs décisions.

  3. Ils ont une mauvaise estimation des probabilités.

  4. À partir d'un cadre initial, ils auront tendance à éviter les risques en ce qui concerne les gains et au contraire à les rechercher en ce qui concerne les pertes.

  5. La connaissance de ces différents aspects de la décision peut être mise à profit pour influencer les individus pour leur propre profit et celui de la société (ce qu'on appelle le paternalisme libéral).

Longtemps frileux en ce qui concerne l'étude des corrélats neuronaux des processus cognitifs, l'apparition de l'imagerie cérébrale et le développement d’autres méthodes d’observation de l’activité cérébrale  ont poussé les neuroscientifiques à se pencher finalement sur la question au début des années 2000. S'ils ne sont pas encore autorisés à dire grand-chose sur le paternalisme libéral (heureusement !), ils ont largement investi les autres axes de l'étude des frontières de la rationalité. Ils en ont aussi profité pour tenter d'étudier de façon plus générale les mécanismes neuronaux de la prise de décision et ont nommé cette discipline émergente neuro-économie pour bien marquer son individualité par rapport au reste des neurosciences.

Plus que d'autres, ce domaine engendre des inquiétudes car il semble toucher aux fondements de notre société. D'autant plus que souvent confondu avec le neuro-marketing (sur l'intérêt duquel il y aurait beaucoup à dire), il fait suspecter une volonté d'influencer les comportements des acteurs économiques et/ou des consommateurs. Il convient donc de ramener à leur juste valeur les grands apports de cette discipline.

La neuro-économie pour les nuls

Comprendre le lien entre notre cerveaux et nos fonctions cognitives. http://lecerveau.mcgill.ca, Author provided

Comme toujours, quand une nouvelle discipline émerge, ses premières années ont été consacrées à en définir les contours et à en affiner les outils. Schématiquement, les méthodes se résument à 3 grandes étapes :

  1. Définir un cadre théorique ou axiomatique pour poser une question précise (le système d'attribution de valeurs, les aires cérébrales impliquées dans le doute, le risque, le jugement moral) ;

  2. Opérationnaliser cette question avec un paradigme emprunté à l'économie expérimentale ;

  3. Etudier les corrélats neuronaux avec des méthodes d'imagerie fonctionnelle (chez l'homme) ou des enregistrements électrophysiologiques (sur les modèles animaux).

Ces méthodes ont agi comme une prophétie auto-réalisatrice : des corrélats neuronaux des choix effectués dans les divers paradigmes utilisés ont été mis en évidence dans de nombreuses aires corticales, ou sous-corticales, validant les cadres théoriques qui ont été proposés. Cependant, ces méthodes descendantes (top-down) ont fini par atteindre les limites de leurs cadres conceptuels. Nous possédons maintenant un catalogue de fonctions unitaires associées à différentes aires cérébrales, mais l'articulation entre les différentes sous-parties et la façon dont le tissu cérébral génère ces fonctions échappent encore à l'entendement.

Matière à décision

Depuis une dizaine d'années, une approche ascendante (bottom-up) se développe. Il s'agit cette fois de chercher à comprendre ce qu'est la décision au niveau neuronal : un processus de compétition entre plusieurs populations de neurones. Une fois ce cadre conceptuel posé, les adeptes de cette méthode ont cherché quelles sont les structures cérébrales capables de générer ces processus de compétition. Deux candidats sérieux ont émergé dans la littérature : le cortex et les noyaux gris centraux. Une véritable querelle de clocher s'est donc développée entre deux sous-communautés qui défendent chacune la prépondérance d'une des deux structures sur la seconde dans les processus de prise de décision.

L'anatomie comparée apporte une solution élégante à cette opposition apparente. Elle propose que les noyaux gris centraux étaient seuls à l'origine de ces processus chez les vertébrés les plus anciens. Leur plasticité, sensible à des mécanismes d'apprentissage par renforcement dont la dopamine est un des éléments clefs, confère aux organismes qui en sont dotés des capacités d'apprentissage. Dans ces structures, le mécanisme qui préside à la décision repose sur des processus stochastiques c’est à dire qu'ils utilisent le hasard pour choisir entre différentes options possibles. Au fur et à mesure des essais et des erreurs, l'expérience acquise facilite le choix de l'option la plus intéressante en terme de renforcement (accès à de la nourriture, à un abri, etc.), sans que ce soit complètement automatique.

Ces processus permettent de comprendre un certain nombre de comportements aberrants sur le plan économique, mais qui font sens sur le plan évolutif (tels que l'équilibre entre les comportements d'exploration et d'exploitation). Sur ces mécanismes, au fil de l’évolution, s'est greffée une couche corticale. Cette dernière est supervisée par les noyaux gris centraux pour apprendre de nouvelles compétences, mais fonctionne de façon autonome une fois que ces dernières sont automatisées. Le développement des aires corticales et leur organisation de plus en plus hiérarchisée seraient à l'origine de l'extension du nombre et de la complexité des comportements observés au fur et à mesure de l'évolution, mais aussi à l'apparition de comportements plus stéréotypés donc plus résistants aux changements.

Cette approche propose en outre que ces processus se sont développés en parallèle dans plusieurs taxa de vertébrés puisque des mécanismes comparables sont observés chez les mammifères (avec les cas notables des primates mais aussi des mammifères marins et des éléphants), chez les oiseaux dont le développement et la spécialisation du pallium (qui est l'équivalent du cortex chez ces espèces) est corrélé à l'utilisation d'outils chez certains corvidés et peut être aussi chez certains poissons. Pour les batraciens et les reptiles, nous manquons encore de données expérimentales.

L'imbrication entre un tel processus sous-cortical dont l'apprentissage se fait par renforcement (c’est à dire en vue de maximiser une récompense) et un processus cortical plus rigide une fois automatisé, permet en outre de fournir un substrat organique à l'opposition entre un système rapide-système lent proposé par Daniel Kahneman pour expliquer les mécanismes qui sous-tendent sa théorie des perspectives (lien….)

Il faut néanmoins demeurer prudent dans nos interprétations. Cette hypothèse élégante et riche d'une forte valeur heuristique, est supportée par un certain nombre de données expérimentales, mais de nombreuses zones d'ombres doivent encore être explorées. Sa richesse est aussi une faiblesse, puisque la nécessité de la tester à différentes étapes de l'évolution des vertébrés laisse présager qu'il faudra encore un certain nombre d'années avant qu'elle ne soit totalement confirmée… ou définitivement infirmée.

Comment fonctionne notre cerveau et comment s'opèrent nos choix ? :

Matière à décision. T. Boraud, Author provided

Et si notre faculté à prendre des décisions relevait plus du hasard que d'un processus rationnel ? On a longtemps admis que l'esprit décide, le corps obéit. Or, c'est l'inverse : le mécanisme décisionnel est produit par la matière cérébrale. C'est un phénomène aléatoire qui résulte de processus de compétitions au sein d'un réseau dont l'architecture a peu évolué depuis les premiers vertébrés. Malgré l'extraordinaire développement du cortex humain, le processus conserve sa nature aléatoire. Ainsi, lorsqu'un individu pèse le pour et le contre, il ne fait que de s'en remettre au hasard de dés virtuels. Apprendre consiste dès lors à piper ces dés… Mais ce qui n'est qu'une rationalité limitée est peut-être le prix à payer pour conserver notre grande capacité d'adaptation.