E35 Prédiction de l'évolution future

Topique

La capacité à prédire l'évolution future de l'environnement permet à un organisme de compenser les délais inhérents à son traitement neuronal. Sans cette capacité, un système de contrôle soumis à des délais importants pourrait devenir instable. Le système nerveux central maintient des modèles internes de la dynamique du corps et de l'environnement, ce qui lui permet d'anticiper les conséquences de ses actions avant même de recevoir le retour sensoriel correspondant. Ainsi, le comportement dépend non seulement de la réaction à ce qui s'est déjà produit, mais aussi de l'estimation de ce qui va se produire ensuite.

Un modèle d'état linéaire décrit l'évolution attendue de l'environnement à partir de son état actuel. Cependant, toute prédiction est sujette à incertitude à mesure que le temps passe depuis la dernière observation. Comme lors de la phase prédictive d'un filtre de Kalman, l'erreur potentielle continue de croître jusqu'à l'arrivée de nouvelles informations permettant de corriger l'estimation. Il existe donc un horizon de prédiction utile : un intervalle au-delà duquel l'incertitude devient suffisamment importante pour que la prédiction perde toute valeur pratique. Plus le délai d'obtention d'une nouvelle observation corrective est long, plus l'incertitude accumulée est grande.

L'interception d'un objet en mouvement fournit un exemple concret de cette capacité de prédiction. Une grenouille attrapant une mouche ou un joueur tentant d'attraper une balle doivent anticiper la position future de l'objet et agir avant son arrivée. Selon le texte, il semblerait que l'organisme puisse estimer directement le point d'interception final au lieu de reconstruire continuellement toute la trajectoire. Ce comportement est cohérent avec un modèle cinématique interne intégrant la gravité comme information préalable. Grâce à cette régularité physique au sein du modèle, l'organisme peut prédire le point de rencontre futur plus efficacement que s'il devait inférer la trajectoire entière à chaque fois.

La prédiction s'applique également aux conséquences sensorielles de nos propres mouvements. Le principe de la copie prédictive stipule que chaque commande motrice génère simultanément une prédiction du signal sensoriel qu'elle devrait produire. Lorsque l'information sensorielle réelle arrive, le système la compare à la conséquence attendue. Si elles correspondent, le signal peut être atténué car il correspond à un événement déjà prédit. Ce mécanisme explique, toujours selon le texte, pourquoi il est difficile de se chatouiller soi-même : les conséquences sensorielles de nos propres mouvements ont déjà été anticipées. Lorsque le signal réel ne correspond pas à la prédiction, une erreur de prédiction survient, indiquant un événement imprévu. Plus l'écart entre les conséquences prédites de la commande motrice et celles observées est important, plus cette erreur est grande. Ce signal permet la mise à jour du modèle interne et l'adaptation du comportement.

Ces mécanismes convergent vers le contrôle prédictif basé sur un modèle, qui sélectionne les actions en considérant leurs conséquences à long terme et en optimisant une fonction de coût. Au lieu de corriger un mouvement uniquement après la détection d'une erreur, l'organisme peut anticiper les contraintes, telles que les obstacles ou les limites de force, et planifier une trajectoire appropriée. Une prédiction plus précise des contraintes futures permet des mouvements plus fluides et plus efficaces.

Selon le texte, le cervelet participe à la composante prospective du modèle interne de ce système, prédisant les conséquences des actions selon un principe comparable à celui d'un filtre de Kalman, tandis que le cortex préfrontal est impliqué dans la planification à plus long terme.

Globalement, la prédiction transforme le contrôle comportemental d'un processus purement réactif en un processus anticipatif. Les modèles internes estiment l'évolution future du corps et de l'environnement. Les observations corrigent périodiquement ces estimations ; la copie téléchargeable permet de distinguer les conséquences attendues des conséquences inattendues ; et le contrôle prédictif utilise ces anticipations pour sélectionner les actions futures. Ainsi, l’organisme peut compenser les délais neuronaux, intercepter des objets, détecter les écarts par rapport aux attentes et planifier des mouvements efficaces avant même que les conséquences réelles de ses actions n’atteignent ses sens.

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