E44 Exploration active de l'environnement

Topique

L'exploration active consiste à sélectionner délibérément des actions sensorielles afin de maximiser l'information obtenue de l'environnement. Contrairement à la perception passive, où l'organisme reçoit les signaux disponibles, l'exploration active contrôle ici activement l'information qu'il reçoit. Il peut, par exemple, bouger la tête pour mieux sentir ou entendre, effectuer des mouvements oculaires saccadés, modifier sa position, émettre des signaux interagissant avec l'environnement par écholocation ou électrolocation, ou encore se déplacer pour observer l'environnement sous différents angles.

Le choix de ces actions est guidé par le gain d'information. Une action est d'autant plus informative qu'elle réduit l'incertitude quant à l'état de l'environnement. Ce gain peut être compris comme la différence entre l'incertitude présente avant l'action et l'incertitude attendue après l'observation du résultat de l'action. Un organisme qui explore de manière optimale sélectionne donc l'action sensorielle qui promet de réduire le plus son incertitude. Cette recherche active constitue une forme de curiosité épistémique, ou recherche d'information, observable chez les mammifères et les insectes lorsqu'ils découvrent de nouveaux environnements.

Cependant, l'obtention d'information entre en concurrence avec un autre objectif : exploiter les connaissances acquises pour obtenir une récompense immédiate. De cette tension naît le dilemme exploration-exploitation. Exploiter consiste à choisir des options connues qui offrent déjà de bons résultats ; explorer implique de consacrer des ressources à des options incertaines qui pourraient s'avérer meilleures. Un mécanisme d'équilibre entre ces deux stratégies ajoute un bonus d'exploration à la récompense attendue de chaque action, proportionnel à l'inconnu qui la caractérise. Les options peu testées bénéficient d'un bonus plus important, tandis que ce bonus diminue à mesure que l'action est répétée et que l'on obtient davantage d'informations. Ainsi, le choix d'une alternative réduit progressivement son incertitude et rend les autres options, encore peu explorées, relativement plus attractives, bouclant ainsi le cycle entre action, apprentissage et exploration.

L'olfaction active des rongeurs illustre comment ce principe abstrait peut se concrétiser en un mécanisme physiologique. L'inspiration active augmente considérablement la vitesse à laquelle une odeur atteint les récepteurs, comparativement à la respiration passive. La concentration de l'odorant au niveau des récepteurs se rapproche progressivement de la concentration ambiante, et ce, d'autant plus rapidement que le débit d'air inhalé augmente. Lorsque les deux concentrations se rapprochent, l'augmentation ralentit, aboutissant à un phénomène de saturation. Les rongeurs synchronisent également leur reniflement avec leur respiration, à une fréquence d'environ 4 à 12 cycles par seconde, couplant ainsi l'acquisition d'informations olfactives à l'entrée périodique d'air frais dans la cavité nasale.

L'électrolocalisation active des poissons électriques faibles constitue une solution totalement différente à ce même problème. Le poisson génère un champ électrique autour de son corps et détecte les perturbations qui apparaissent lorsqu'un objet dont la conductivité diffère de celle de l'eau pénètre dans ce champ. L'amplitude de la perturbation dépend de la différence de conductivité, du volume de l'objet et de sa distance au poisson, diminuant fortement à mesure que cette distance augmente.

La distribution spatiale de ces perturbations sur les récepteurs électriques de la peau permet au poisson d'obtenir des informations sur la taille, la forme, la distance et les propriétés électriques de l'objet. Les poissons gymnotiformes ne restent pas passifs face à ce signal, mais effectuent au contraire des mouvements exploratoires répétés et tournent autour de l'objet. Ces mouvements modifient délibérément le signal électrique reçu et leur permettent d'acquérir des informations supplémentaires, optimisant ainsi l'efficacité de l'électrolocalisation.

L'exploration active transforme l'organisme, d'un récepteur passif, en un agent qui choisit les informations à extraire de son environnement. L'acquisition d'informations détermine les critères de sélection des actions ; la curiosité épistémique favorise la réduction de l'incertitude ; et le dilemme exploration-exploitation régule l'effort consacré à la découverte de nouvelles alternatives par rapport à l'utilisation des options déjà connues.

L'odorat du rongeur et l'électrolocalisation du poisson représentent différentes solutions physiologiques à un même principe général : agir sur l'environnement ou sur ses propres organes sensoriels pour contrôler les informations reçues. Ainsi, l'exploration active permet une réduction ciblée et efficace de l'incertitude, en équilibrant constamment la recherche de nouvelles informations et l'utilisation des connaissances déjà acquises par l'organisme.

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