Mécanismes neurocognitifs permettant et facilitant la résolution de problèmes créatifs

Neurocognitive mechanisms allowing or facilitating creative problem-solving

• Auteur / Autrice : Théophile Bieth
• Direction : Emmanuelle Volle, Delphine Oudiette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 17/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du cerveau (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrizio De Vico Fallani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Sander, Perrine Ruby
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Botella, Marion Botella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résolution de problème

Neurosciences cognitives

Sommeil paradoxal

Réseaux cérébraux

Créativité

Mots clés libres

Résolution de problème

Créativité

Transfert par analogie

Sommeil paradoxal

Réseau sémantique

Problem-solving

Creativity

Analogy transfer

REM sleep

Semantic networks

Résumé

Résoudre des problèmes fait partie de notre quotidien. Cela nous permet de faire face à des situations nouvelles, de surmonter des obstacles et d’exprimer notre créativité. Pourtant, les mécanismes neurocognitifs et modulateurs de la résolution de problèmes sont peu étudiés et non élucidés. La restructuration est un mécanisme avancé pour expliquer comment un individu résout un problème. Elle fait référence aux processus permettant de modifier la représentation d’un problème par la création de nouvelles associations d’idées éloignées en mémoire. Elle est souvent associée à l’expérience d’un « Eureka ! ». De ce fait, la restructuration est étroitement liée aux théories cognitives de la créativité (i.e., la capacité à générer des idées nouvelles, originales et adaptées) et du raisonnement par analogie (i.e., établir des liens entre des éléments éloignés du fait de la détection de similarités structurelles).Bien que la théorie de la restructuration soit intuitive, ses preuves empiriques sont rares et non satisfaisantes, notamment en raison des difficultés méthodologiques pour la capturer et la mesurer. Nous avons développé un nouvel outil basé sur la construction de réseaux sémantiques qui permet de refléter la manière dont un individu se représente un problème. Ces réseaux sémantiques sont composés de nœuds correspondant à des mots en rapport avec un problème, connectés par des liens représentant la distance sémantique entre chaque paire de nœuds. En évaluant les changements d’organisation de ces réseaux au cours de la résolution d’un problème, nous pouvons capturer et mesurer des changements représentationnels du problème (i.e., la restructuration). Dans cette thèse, nous avons abordé la question des mécanismes neurocognitifs permettant ou facilitant la résolution de problèmes à travers la théorie de la restructuration via les réseaux sémantiques. Dans la première partie de cette thèse, nous avons montré que les processus de restructurations étaient impliqués dans la résolution de problèmes créatifs et analogues. En particulier, nous avons montré que les changements qui s’opéraient dans les réseaux sémantiques au niveau de nœuds et liens évalués comme pertinent pour résoudre un problème étaient associés à sa résolution et celle d’un problème analogue. Ces résultats démontrent le lien étroit existant entre restructuration et résolution de problèmes et font discuter son rôle mécanistique. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons exploré les corrélats neuronaux associés à deux mécanismes impliqués dans la restructuration : l’effet de l’éloignement sémantique dans la création d’associations d’idées et celui d’une résolution avec Eurêka. Nous avons montré que ces processus présentaient des signatures électrophysiologiques spécifiques offrant de nouvelles perspectives dans l’étude des bases neurales de la restructuration et de la résolution de problèmes. Enfin, dans la dernière partie, nous avons exploré le sommeil paradoxal comme facteur modulateur de la restructuration et de la résolution de problèmes. Nous avons démontré que le sommeil paradoxal était associé à un état mental d’hyper-associativité permettant de faciliter la réorganisation de nos associations d’idées relatives à un problème, comme plusieurs modèles théoriques le suggéraient. Cependant, trouver la solution au problème n’était pas facilité par le sommeil, faisant discuter sa place dans la résolution de problèmes. Pour conclure, cette thèse offre de nouveaux résultats permettant de mieux comprendre la place de la restructuration dans la résolution de problèmes à plusieurs niveaux mécanistiques. Notre outil de mesure de restructuration ouvre la voie à de nombreuses perspectives d’études afin de préciser les mécanismes de résolution de problèmes, de déterminer ses corrélats neuronaux et d’étudier d’autres facteurs pouvant les moduler, avec un impact attendu positif tant à l’échelle individuelle que sociétale.

Problem-solving is central to everyday life and is critical for adapting to new situations, overcoming challenges, and expressing our creativity. However, the mechanisms underlying problem-solving remain largely unknown. Restructuring is described as a key problem-solving mechanism allowing the generation of new problem representations by creating remote association of ideas. Restructuring has been tightly linked to insight solving and the cognitive theory of creativity (i.e., the ability to create new, original, and adapted ideas), but also to analogical reasoning (i.e., the ability to create relationships between remote elements based on the detection of structural similarities). Although restructuring theory is intuitively pleasant, empirical evidence is scarce and not fully satisfying, mainly because it was never clearly operationalized nor measured. We developed a new tool based on semantic networks building. These semantic networks were composed of nodes which were words related to the problem and that were connected by edges representing semantic similarity. The semantic network organization can reflect how individuals can represent the problem. By measuring changes in organization of several semantic networks during problem-solving, we were able to quantify changes in problem representation (i.e., restructuring). In this thesis, we investigated the neurocognitive mechanisms allowing or facilitating problem-solving, and especially restructuring processes using our semantic network tool. In the first part of the thesis, we showed that restructuring was involved in successful problem-solving. Specifically, we found that semantic network changes (targeting nodes and edges that were relevant in solving the problem) were associated with successful solving of the problem and an analogue one. These results emphasize the restructuring processes in problem-solving, and their mechanistic role. In the second part of the thesis, we explored the neural correlates related to two relevant mechanisms involved in restructuring: the effect of semantic remoteness in idea associations creation and insight solving. We found distinct patterns of brain activity in the time-frequency domain for these two aspects offering new perspectives for investigating neural bases of restructuring and problem-solving. In the last part of the thesis, we investigated whether rapid eye movement (REM) sleep could favor restructuring and problem-solving. We found that REM sleep was associated with a hyper associativity mental state that facilitated the reorganization of idea associations, as several theoretical models have suggested. However, problem-solving was not facilitated by sleep, questioning its role in problem-solving. To conclude, this thesis offers new insight on the role of restructuring in problem-solving at several levels. By measuring restructuring processes, our tool opens the door to further studies that aim to precise problem-solving mechanisms, to describe neural correlates and to study other factors that can influence such processes. It can lead to potential positive impact at both individual level and society.