Raccourci en calcul mental : la dilatation des pupilles suggère qu’on commence à résoudre avant d’avoir tous les nombres

Quand le cerveau anticipe le calcul

Comment résolvez-vous une addition simple dans votre tête ? Vous pensez peut-être attendre d’avoir entendu tous les chiffres avant de commencer à calculer. Pourtant, votre cerveau ne fonctionne pas ainsi. Des chercheurs de l’Université de Bordeaux et de l’UCLouvain viennent de découvrir que le processus mental démarre bien avant que toutes les informations soient disponibles.

L’étude, publiée dans la revue scientifique Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, révèle que notre cerveau s’appuie sur un mécanisme appelé inférence bayésienne pour résoudre les problèmes arithmétiques de base. Cette approche de raisonnement permet de prendre des décisions dans des situations d’incertitude variable, en combinant des croyances préalables avec de nouvelles informations au fur et à mesure qu’elles arrivent.

Les processus mentaux précis que nous utilisons pour résoudre des additions, soustractions, multiplications ou divisions simples restaient jusqu’ici flous. Pour percer ce mystère, l’équipe de recherche a utilisé une méthode originale : suivre la taille des pupilles des participants pendant qu’ils effectuaient des calculs mentaux. Cette technique, appelée pupillométrie, offre une fenêtre unique sur l’activité cognitive en temps réel.

Quand deux expertises se rencontrent

Cette recherche est née d’une rencontre entre deux groupes aux compétences complémentaires. Alexandre Zénon, premier auteur de l’article, explique : « L’article est né d’une réunion entre deux groupes de recherche aux expertises complémentaires. Mon travail se concentre sur la quantification de l’effort cognitif par la taille de la pupille et la théorie de l’information. J’ai croisé la route de Michael Andres, un spécialiste de la neuroscience des mathématiques, et de son doctorant Samuel Salvaggio. »

De cette collaboration est née une question centrale : le cerveau pourrait-il aborder l’arithmétique de la même manière qu’il aborde d’autres défis cognitifs, c’est-à-dire de façon probabiliste, en mettant continuellement à jour ses attentes ? Zénon poursuit : « Mélanger ces deux domaines a soulevé une série de questions : le cerveau pourrait-il aborder l’arithmétique de la même manière qu’il aborde d’autres défis cognitifs, de manière probabiliste, en mettant continuellement à jour ses attentes ? Et si c’est le cas, comment pourrions-nous le démontrer ? »

L’objectif principal de l’étude était d’explorer si l’inférence bayésienne, un cadre qui explique efficacement divers aspects de la perception humaine, de l’apprentissage moteur et de la prise de décision, s’applique également à l’arithmétique mentale. Cela signifierait que le cerveau n’effectue pas mécaniquement des calculs, mais qu’il part d’hypothèses plausibles et les affine progressivement jusqu’à atteindre la réponse finale.

La pupille, témoin discret du travail mental

L’hypothèse de base des chercheurs remettait en question une idée reçue. Zénon précise : « Notre hypothèse centrale était que lorsque les gens résolvent un problème d’addition, ils n’attendent pas passivement tous les chiffres avant de commencer à calculer. Au contraire, dès qu’ils entendent le premier chiffre, le cerveau commence à mettre à jour une sorte de carte de probabilité interne des réponses probables, éliminant les résultats implausibles. »

Plus le premier nombre est informatif, plus le « gain d’information » est important, et plus le cerveau travaille intensément à ce stade précoce. Pour tester cette théorie, l’équipe a mené des expériences avec des participants adultes. Ces derniers devaient écouter deux nombres mentionnés consécutivement dans un enregistrement audio et les additionner mentalement. Pendant qu’ils effectuaient ces additions, les chercheurs suivaient la taille de leurs pupilles grâce à la pupillométrie.

Pourquoi la pupille ? Zénon explique : « La pupille est un indicateur étonnamment sensible de l’effort cognitif. Elle se dilate lorsque le cerveau travaille plus dur ou traite plus d’informations, et des travaux théoriques antérieurs l’avaient spécifiquement liée à l’ampleur du gain d’information. » Cette technique offre donc une mesure objective et en temps réel de l’activité mentale, sans que le participant ait besoin de verbaliser quoi que ce soit.

Trois expériences pour décrypter le processus

Les chercheurs ont conçu trois expériences distinctes, chacune testant une explication possible de la façon dont les gens abordent les additions simples. Dans toutes les expériences, les participants écoutaient les deux nombres via un casque audio. Zénon détaille la première expérience : « Dans la première expérience, le premier opérande était parfois un nombre à deux chiffres, très informatif, réduisant considérablement la plage de réponses possibles, et parfois un chiffre unique, moins informatif. »

La deuxième expérience adoptait une approche différente. « Dans la deuxième, nous avons gardé le premier nombre identique dans toutes les conditions, mais avons varié le nombre de valeurs possibles que le deuxième nombre pouvait prendre. De cette façon, la valeur informative du premier nombre changeait sans aucune différence dans la façon dont il sonnait ou le temps qu’il prenait pour être prononcé », explique Zénon. Cette manipulation astucieuse permettait d’isoler l’effet de l’information pure, indépendamment des caractéristiques auditives.

La troisième expérience poussait la logique encore plus loin. « Dans la troisième expérience, nous avons étendu cette logique à quatre niveaux d’information, recherchant une relation systématique et graduée entre le gain d’information et la réponse pupillaire », précise le chercheur. Ces trois protocoles complémentaires offraient une validation robuste de l’hypothèse initiale, en écartant les explications alternatives possibles.

Des résultats cohérents et révélateurs

Les observations se sont révélées cohérentes à travers les trois expériences. L’équipe a constaté que les pupilles des participants se dilataient davantage lorsque le premier nombre présenté contenait plus d’information, autrement dit lorsqu’il offrait plus d’indices sur la solution probable du problème. Cette dilatation intervenait même avant que les participants n’entendent le second nombre.

Zénon souligne l’importance de ce timing : « Cela se produisait même avant que les participants n’entendent le deuxième nombre, montrant que le cerveau mettait déjà à jour ses attentes à ce stade précoce. De manière intéressante, les participants qui montraient des réponses pupillaires plus importantes au premier nombre étaient ensuite plus rapides pour produire la réponse correcte. » Ce lien entre la réaction pupillaire initiale et la vitesse de résolution finale confirme que le travail cognitif précoce n’est pas vain.

Ce travail mental initial, qui n’utilisait que le premier nombre, s’avérait donc très utile pour simplifier le problème et accélérer la production de la réponse une fois le second nombre disponible. Le cerveau ne perd pas de temps : il commence immédiatement à restreindre le champ des possibles, transformant un problème ouvert en un problème plus ciblé avant même de disposer de toutes les données.

Des implications bien au-delà de l’arithmétique

Les résultats de ces expériences suggèrent que l’inférence bayésienne, jusqu’ici principalement associée aux processus de perception de bas niveau, joue également un rôle dans des compétences plus abstraites et culturellement acquises comme les mathématiques. Zénon affirme : « Notre travail remet en question l’hypothèse courante selon laquelle la cognition symbolique fonctionne selon des règles fondamentalement différentes. »

L’équipe propose une nouvelle façon de caractériser la difficulté arithmétique. « Deuxièmement, nous proposons que le gain d’information pourrait fournir une nouvelle manière quantitative de caractériser la difficulté arithmétique. Les mesures actuelles de la difficulté, comme le nombre de chiffres ou la nécessité d’une opération de retenue, sont catégoriques et incomplètes. Le gain d’information offrirait une alternative continue et théoriquement fondée », explique Zénon.

Ces travaux pourraient inspirer d’autres chercheurs à étudier comment les gens résolvent des problèmes mathématiques simples ou abordent d’autres tâches mentales abstraites, peut-être en suivant la taille de la pupille ou en utilisant des méthodes similaires. Ils pourraient ouvrir la voie au développement d’outils basés sur la pupillométrie, conçus pour évaluer l’effort cognitif des personnes lors de la résolution de problèmes mathématiques, tant dans des contextes éducatifs que cliniques.

Des questions importantes restent sans réponse. Zénon conclut : « Plusieurs questions importantes restent sans réponse. Dans le cadre de nos recherches futures, nous aimerions étendre ce cadre au-delà de l’addition, vers la soustraction, la multiplication et des problèmes multi-étapes plus complexes. Nous sommes particulièrement intéressés par l’application de l’approche par inférence bayésienne aux résultats classiques de la cognition numérique, tels que l’effet de taille du problème, l’effet de retenue ou l’effet de distance. » L’aventure scientifique ne fait que commencer.

Selon la source : phys.org