Carte cognitive

Les cartes cognitives ont été étudiées dans divers domaines, tels que la psychologie, l'éducation, l'archéologie, l'aménagement du territoire, la géographie, la cartographie, l'architecture, l'architecture paysagère, l'urbanisme, le management et l'histoire. Du fait de leur utilisation et de leur étude généralisées, l'expression « cartes cognitives » est devenue un terme courant pour désigner presque toute représentation ou tout modèle mental. Par conséquent, ces modèles mentaux sont souvent appelés, de diverses manières, cartes cognitives, cartes mentales , schémas , ou encore cadres de référence .

Cognitive maps serve the construction and accumulation of spatial knowledge, allowing the "mind's eye" to visualize images in order to reduce cognitive load, enhance recall and learning of information. This type of spatial thinking can also be used as a metaphor for non-spatial tasks, where people performing non-spatial tasks involving memory and imaging use spatial knowledge to aid in processing the task. They include information about the spatial relations that objects have among each other in an environment and they help us in orienting and moving in a setting and in space.

The neural correlates of a cognitive map have been speculated to be the place cell system in the hippocampus and the recently discovered grid cells in the entorhinal cortex.

The idea of a cognitive map was first developed by Edward C. Tolman. Tolman, one of the early cognitive psychologists, introduced this idea when doing an experiment involving rats and mazes. In Tolman's experiment, a rat was placed in a cross shaped maze and allowed to explore it. After this initial exploration, the rat was placed at one arm of the cross and food was placed at the next arm to the immediate right. The rat was conditioned to this layout and learned to turn right at the intersection in order to get to the food. When placed at different arms of the cross maze however, the rat still went in the correct direction to obtain the food because of the initial cognitive map it had created of the maze. Rather than just deciding to turn right at the intersection no matter what, the rat was able to determine the correct way to the food no matter where in the maze it was placed.

Unfortunately, further research was slowed due to the behaviorist point of view prevalent in the field of psychology at the time. In later years, O'Keefe and Nadel attributed Tolman's research to the hippocampus, stating that it was the key to the rat's mental representation of its surroundings. This observation furthered research in this area and consequently much of hippocampus activity is explained through cognitive map making.

As time went on, the cognitive map was researched in other prospective fields that found it useful, therefore leading to broader and differentiating definitions and applications.

Une carte cognitive est une représentation spatiale du monde extérieur conservée dans l'esprit jusqu'à sa concrétisation (généralement un dessin) en une carte mentale. La cartographie cognitive est la partie implicite, la cartographie mentale la partie explicite, d'un même processus. Dans la plupart des cas, une carte cognitive existe indépendamment d'une carte mentale ; un article consacré uniquement aux cartes cognitives resterait donc cantonné à des considérations théoriques.

La représentation mentale est généralement associée à des points de repère, des lieux et la géographie. Sa création dépend de l'individu et de ses perceptions, influencées par les médias, la vie réelle ou d'autres sources. Grâce à leur capacité à stocker des informations factuelles, les cartes mentales peuvent être utiles pour donner des indications et s'orienter. Comme indiqué précédemment, cette distinction est difficile à percevoir lorsque des définitions quasi identiques sont présentées ; elle existe néanmoins.

Dans certains contextes, l’expression « carte mentale » désigne une pratique utilisée par les urbanistes qui consistent à demander aux citadins de dessiner, de mémoire, une carte de leur ville ou de leur lieu de résidence. Cela permet au théoricien de se faire une idée des parties de la ville ou du logement qui sont les plus substantielles ou les plus imaginables. Ceci, à son tour, contribue à une appréciation décisive de la qualité de l’aménagement urbain.

La carte cognitive est générée à partir de plusieurs sources, issues notamment du système visuel . Elle est en grande partie créée grâce aux indices de mouvement auto-générés . Les informations sensorielles telles que la vision, la proprioception , l'olfaction et l'ouïe sont toutes utilisées pour déduire la position d'une personne dans son environnement lors de ses déplacements. Ceci permet l'intégration du trajet, c'est-à-dire la création d'un vecteur représentant la position et la direction de la personne dans son environnement, en particulier par rapport à un point de référence antérieur. Ce vecteur résultant peut être transmis aux cellules de lieu de l'hippocampe, où il est interprété pour fournir des informations supplémentaires sur l'environnement et la position de la personne dans le contexte de la carte cognitive.

Les repères directionnels et les points de repère positionnels servent également à la création de la carte cognitive. Parmi les repères directionnels, on trouve des indices explicites, comme les graduations d'une boussole, ainsi que des gradients, tels que les variations d'ombrage ou les champs magnétiques, utilisés comme entrées pour élaborer cette carte. Les repères directionnels peuvent être utilisés de manière statique, lorsqu'une personne reste immobile dans son environnement tout en l'interprétant, et de manière dynamique, lorsqu'un déplacement le long d'un gradient fournit des informations sur la nature de l'environnement. Les points de repère positionnels fournissent des informations sur l'environnement en comparant la position relative d'objets spécifiques, tandis que les repères directionnels renseignent sur la forme même de l'environnement. Ces points de repère sont traités conjointement par l'hippocampe pour produire une représentation graphique de l'environnement à partir de leurs positions relatives.

Alex Siegel et Sheldon White (1975) ont proposé un modèle d'acquisition des connaissances spatiales en plusieurs niveaux. La première étape se limite aux points de repère disponibles dans un nouvel environnement. Dans un second temps, les informations relatives aux itinéraires reliant ces points de repère sont encodées, initialement sous une forme non métrique, puis enrichies progressivement de propriétés métriques telles que les distances, les durées et les écarts angulaires. Enfin, dans une troisième et dernière étape, l'observateur est capable d'utiliser une représentation topographique de son environnement, selon un point de vue allocentrique.

En définitive, l'acquisition de cartes cognitives est un processus graduel. Ce type de connaissance est multimodal par nature et se construit à partir de différentes informations provenant de sources diverses, intégrées progressivement.

On pense que la cartographie cognitive dépend en grande partie de l'hippocampe. Ce dernier est connecté au reste du cerveau de manière à intégrer idéalement les informations spatiales et non spatiales. Les connexions provenant du cortex postrhinal et du cortex entorhinal médian lui fournissent des informations spatiales, tandis que celles provenant du cortex périrhinal et du cortex entorhinal latéral lui fournissent des informations non spatiales. L'intégration de ces informations dans l'hippocampe fait de ce dernier un site privilégié pour la cartographie cognitive, qui implique nécessairement de combiner les informations relatives à la localisation d'un objet et à ses autres caractéristiques.

O'Keefe et Nadel ont été les premiers à décrire une relation entre l'hippocampe et la cartographie cognitive. De nombreuses études ultérieures ont apporté des preuves supplémentaires confirmant cette conclusion. Plus précisément, les cellules pyramidales ( cellules de lieu , cellules frontières et cellules de grille ) ont été impliquées comme base neuronale des cartes cognitives au sein du système hippocampique.

De nombreuses études d'O'Keefe ont mis en évidence l'implication des cellules de lieu. Dans l'hippocampe, chaque cellule de lieu correspond à un emplacement précis dans l'environnement, l'ensemble des connexions contribuant à la construction d'une carte globale de cet environnement. La force des connexions entre les cellules représente les distances qui les séparent dans l'environnement réel. Les mêmes cellules peuvent servir à la construction de plusieurs environnements, bien que leurs relations mutuelles puissent varier d'une carte à l'autre. L'implication potentielle des cellules de lieu dans la cartographie cognitive a été observée chez plusieurs espèces de mammifères, notamment les rats et les macaques. De plus, une étude menée chez le rat par Manns et Eichenbaum a montré que les cellules pyramidales de l'hippocampe participaient également à la représentation de la localisation et de l'identité des objets, suggérant leur rôle dans la création de cartes cognitives. Cependant, l'interprétation de ces études chez les mammifères reste controversée : ces résultats indiquent-ils la présence d'une carte cognitive plutôt qu'une autre méthode, plus simple, de perception de l'environnement ?

Bien que n'étant pas situées dans l'hippocampe, les cellules de grille du cortex entorhinal médian sont également impliquées dans le processus d' intégration des chemins , jouant le rôle d'intégrateur tandis que les cellules de lieu affichent le résultat de cette intégration. Les résultats de l'intégration des chemins sont ensuite utilisés par l'hippocampe pour générer la carte cognitive. Cette carte cognitive repose probablement sur un circuit impliquant bien plus que le seul hippocampe, même si elle y est principalement implantée. Outre le cortex entorhinal médian, le présubiculum et le cortex pariétal sont également impliqués dans la génération des cartes cognitives.

Selon O'Keefe et Nadel (1978), les capacités spatiales ne sont pas l'apanage des humains. Les animaux non humains en ont également besoin pour trouver de la nourriture, des abris et d'autres animaux, qu'il s'agisse de partenaires ou de prédateurs. Pour ce faire, certains animaux établissent des liens entre des points de repère, ce qui leur permet de faire des inférences spatiales et de détecter les positions.

Les premières expériences sur des rats dans un labyrinthe, menées par Tolman, Ritchie et Kalish (1946), ont montré que les rats sont capables de se représenter mentalement les emplacements spatiaux et de bien les comprendre. Cependant, des expériences similaires, menées ultérieurement par d'autres chercheurs (par exemple par Eichenbaum, Stewart et Morris, 1990, et par Singer et al., 2006), n'ont pas abouti à des résultats aussi concluants. Certains auteurs ont tenté d'élucider la manière dont les rats empruntent des raccourcis. Les résultats ont démontré que, dans la plupart des cas, les rats n'utilisent pas de raccourci pour accéder à la nourriture, sauf s'ils y ont été préalablement exposés. Dans ce cas, ils empruntent ce chemin significativement plus rapidement et plus fréquemment que ceux qui n'y ont pas été préalablement exposés. De plus, ils éprouvent des difficultés à effectuer une inférence spatiale, comme celle d'emprunter un nouveau raccourci.

En 1987, Chapuis et Varlet ont mené une expérience sur des chiens afin de déterminer s'ils étaient capables de trouver des raccourcis. Leurs conclusions ont confirmé leur hypothèse. En effet, les résultats ont démontré que les chiens pouvaient se rendre du point de départ au point A contenant de la nourriture, puis directement au point B sans revenir au point de départ. Cependant, pour Andrew TD Bennett (1996), cela peut simplement signifier que les chiens ont repéré des points de repère près du point B, tels que des arbres ou des bâtiments, et s'y sont dirigés en les associant à la nourriture. Plus tard, en 1998, Cheng et Spetch ont réalisé une expérience sur des gerbilles. Lors de la recherche de la nourriture cachée (l'objectif), les gerbilles utilisaient la relation entre l'objectif et un point de repère à la fois. Au lieu de déduire que la nourriture était équidistante de deux points de repère, les gerbilles la recherchaient en fonction de sa position par rapport à deux points de repère indépendants. Cela signifie que même si les animaux utilisent des points de repère pour se localiser, ils le font d'une certaine manière.

Une autre expérience, menée cette fois sur des pigeons , a montré qu'ils utilisent également des repères spatiaux pour se repérer. La tâche consistait à trouver de la nourriture cachée dans une arène. Une partie du test visait à vérifier qu'ils n'utilisaient pas leur odorat pour localiser la nourriture. Ces résultats confirment d'autres observations ayant mis en évidence des liens chez ces animaux entre un ou plusieurs repères spatiaux et la présence de nourriture cachée (Cheng et Spetch, 1998, 2001 ; Spetch et Mondloch, 1993 ; Spetch et al., 1996, 1997).

Il existe de plus en plus de preuves que les poissons se forment des cartes cognitives de navigation. Dans une étude neurologique de ce type, des systèmes d'enregistrement neuronal sans fil ont mesuré l'activité neuronale de poissons rouges et ont mis en évidence qu'ils se forment des cartes cognitives complexes de leur environnement.

Dans une synthèse, Andrew TD Bennett a relevé deux définitions principales du terme « carte cognitive ». La première, selon Tolman, O'Keefe et Nadel, implique la capacité de créer de nouveaux raccourcis grâce à une mémorisation rigoureuse des repères spatiaux. La seconde, selon Gallistel, considère une carte cognitive comme « toute représentation de l'espace détenue par un animal » . Ce manque de définition précise est également constaté par Thinus-Blanc (1996), qui a affirmé que la définition actuelle est insuffisamment claire. De ce fait, il est difficile de tirer des conclusions d'expériences ultérieures

However, Bennett argued that there is no clear evidence for cognitive maps in non-human animals (i.e. cognitive map according to Tolman's definition). This argument is based on analyses of studies where it has been found that simpler explanations can account for experimental results. Bennett highlights three simpler alternatives that cannot be ruled out in tests of cognitive maps in non-human animals "These alternatives are (1) that the apparently novel short-cut is not truly novel; (2) that path integration is being used; and (3) that familiar landmarks are being recognised from a new angle, followed by movement towards them." This point of view is also shared by Grieves and Dudchenko (2013) that showed with their experiment on rats (briefly presented above) that these animals are not capable of making spatial inferences using cognitive maps.