"Les humains et les autres animaux se synchronisent avec les événements rythmiques de leur environnement. Cependant, les mécanismes cérébraux qui sous-tendent cette capacité restent mal compris", explique l'auteur principal Charles Schroeder, professeur agrégé au Center for Neural Science et au Département de psychologie de l'Université de New York. "Notre modèle offre un aperçu de la manière dont le cerveau réalise à la fois une synchronisation basée sur les battements et des ajustements flexibles aux changements de tempo dans l'environnement."
Le modèle mathématique de Schroeder et de son équipe se concentre sur le rôle des noyaux gris centraux, une structure cérébrale impliquée dans le contrôle moteur et l'apprentissage. Les scientifiques ont combiné leur analyse mathématique avec les données comportementales d'une étude antérieure pour fournir un support expérimental aux prédictions de leur modèle.
Le modèle suggère que le cerveau possède deux populations neuronales couplées :l’une représentant une synchronisation régulière basée sur les battements (un mécanisme de type métronome) et l’autre, un oscillateur neuronal réglable qui permet au cerveau d’adapter de manière flexible son rythme interne aux changements de rythme externes.
La validation expérimentale du modèle s'est faite grâce à une tâche musicale exécutée par des sujets humains. Les participants ont écouté une série de tonalités dont le rythme augmentait ou diminuait progressivement en vitesse, et ils tapotaient le rythme avec leurs doigts. Les chercheurs ont mesuré la précision des tapotements des participants et ont constaté qu'elle correspondait étroitement aux prédictions du modèle :les individus étaient initialement retardés par rapport au rythme réel, mais s'adaptaient finalement et tapaient avec précision à mesure que le tempo changeait.
"Une découverte frappante est que les gens avaient tendance à se synchroniser avec le rythme attendu plutôt qu'avec le rythme réel lors des transitions de tempo", observe Schroeder. "Cela suggère que le cerveau prédit activement l'emplacement futur du battement, au lieu de simplement y réagir."
Les auteurs affirment que leur modèle – la première description mathématique des populations neuronales couplées censées être à la base de la synchronisation basée sur les battements – a le potentiel d'aider à expliquer un large éventail de comportements, de la danse et de la musique à la coordination sociale et au traitement du langage.
"Nous pensons que l'architecture à double oscillateur fournira des informations sur la façon dont les processus neuronaux s'alignent et s'adaptent aux entrées sensorielles rythmiques, ce qui est crucial pour comprendre une gamme de fonctions cognitives", explique Schroeder.
