25 mars 2009
La Jolla, CA—Le système visuel a une capacité limitée et ne peut pas traiter tout ce qui tombe sur la rétine. Au lieu de cela, le cerveau s'appuie sur l'attention pour mettre au point les détails saillants et filtrer l'encombrement de l'arrière-plan. Deux études récentes menées par des chercheurs du Salk Institute for Biological Studies, une étude utilisant des techniques de modélisation informatique et l'autre des techniques expérimentales, ont permis de démêler les mécanismes sous-jacents à l'attention.
"Au quotidien, un détail visuel qui est la cible de notre attention est généralement entouré de nombreux stimuli qui sont momentanément sans rapport avec le comportement", explique John H.Reynolds, Ph.D., professeur agrégé au Laboratoire de neurobiologie des systèmes de l'Institut Salk, qui a dirigé l'étude publiée dans le numéro du 26 mars 2009 de la revue Neuron. "L'attention achemine de manière dynamique les informations pertinentes vers les zones de prise de décision du cerveau et supprime le désordre environnant."
Mais la façon dont le cerveau réalise cet exploit a fait l'objet de nombreux débats. Dans un précédent numéro de Neuron Reynolds et David J. Heeger, Ph.D., professeur au Département de psychologie et au Center for Neural Science de NYU, ont proposé un nouveau modèle théorique d'attention. Leur modèle suggère que l'attention coopte le même circuit neuronal utilisé par le système visuel pour ajuster sa sensibilité, ce qui nous permet de percevoir le monde indépendamment des énormes changements de contraste et d'éclairage au cours de la journée.
En haut : Diriger l'attention vers le bassiste au centre immunise le neurone des effets suppressifs des stimuli visuels dans l'environnement et nous ne sommes pas distraits par le reste de l'orchestre. En bas : Lorsque nous dirigeons notre attention vers un stimulus dans l'environnement – disons le violoniste – la réponse du neurone au bassiste désormais hors de propos est supprimée.
Image : Avec l'aimable autorisation de l'Institut Salk d'études biologiques.
"Le rôle central de l'attention dans la perception est connu depuis l'aube de la psychologie expérimentale. De nombreuses recherches ont été menées sur le sujet, mais des données expérimentales apparemment contradictoires ont déconcerté les chercheurs pendant des années", explique Reynolds. "Notre modèle a rassemblé ce qui semblait être un mélange d'observations dans un cadre simple, et notre dernière étude a testé et confirmé les prédictions de la théorie."
La force de l'entrée visuelle fluctue sur des ordres de grandeur. Le système visuel réagit automatiquement à ces changements en ajustant sa sensibilité, en devenant plus sensible en réponse aux entrées faibles et en réduisant la sensibilité aux entrées fortes. Par exemple, lorsque nous entrons dans une salle de conférence sombre par une journée ensoleillée au début, nous voyons peu de choses, mais avec le temps, notre système visuel s'adapte, augmentant sa sensibilité pour correspondre à l'environnement.
Une version plus subtile de ceci est ce que l'on appelle le contrôle du gain de contraste. "Passez quelques minutes à regarder une photographie d'Ansel Adams. Vous constaterez que votre système visuel s'adaptera aux parties peu contrastées de l'image, révélant des subtilités qui étaient invisibles au début", explique Reynolds.
Heeger a proposé un modèle simple mais puissant des circuits corticaux qui aide à arbitrer cette forme de contrôle automatique du gain. "Nous pensons que ces circuits ont été récupérés au cours de l'évolution, permettant au cerveau d'exploiter les mêmes circuits pour ajuster sa sensibilité de manière endogène", explique Reynolds. "Il n'ajuste pas seulement la sensibilité en réponse aux changements de force d'entrée, il permet également au cerveau de mettre l'accent sur les informations pertinentes pour la tâche et de supprimer les signaux neuronaux générés par un fouillis non pertinent pour la tâche."
Les neurones du cortex visuel voient le monde à travers leurs « champs récepteurs », la petite partie du champ visuel que les neurones « voient » ou à laquelle ils répondent réellement. Chaque fois qu'un stimulus tombe dans le champ récepteur, la cellule produit une volée de pointes électriques, appelées « potentiels d'action », qui transmettent des informations sur le stimulus dans le champ récepteur.
Mais la force et la fidélité de ces signaux dépendent également d’autres facteurs. Les scientifiques s'accordent généralement sur le fait que les neurones réagissent généralement plus fortement lorsque l'attention est dirigée vers le stimulus dans leurs champs récepteurs. De plus, la réponse des neurones individuels peut être fortement influencée par ce qui se passe dans l’environnement immédiat du champ récepteur, un phénomène connu sous le nom de modulation contextuelle.
"L'environnement a la capacité de supprimer la réponse du neurone", explique le premier auteur Kristy Sundberg, Ph.D., ancienne étudiante diplômée du laboratoire de Reynolds et maintenant chercheuse postdoctorale à l'Université de Yale. "Cela nous empêche de répondre tout le temps s'il y a quelque chose de grand et uniforme et pas particulièrement intéressant ou utile. Cela soulève la possibilité que le champ réceptif environnant puisse fournir un moyen de supprimer les réponses des distractions sans rapport avec la tâche."
Pour aller au fond des choses, Sundberg a mis en place une série d’expériences dans lesquelles elle a placé un stimulus dans le champ récepteur et un autre dans le champ environnant. Comme le prédisaient la théorie de Reynolds et Heeger, elle a découvert que diriger l'attention vers le stimulus central immunisait le neurone contre les effets suppressifs du stimulus environnant. Lorsqu'elle dirigeait plutôt son attention sur un stimulus dans l'environnement, cela supprimait la réponse du neurone au stimulus non pertinent pour la tâche au centre.
"Le système attentionnel exploite l'organisation centre-environnement du champ récepteur pour empêcher les neurones qui transmettent des informations pertinentes pour la tâche d'être supprimés par des distractions dans l'environnement, tout en supprimant les réponses des neurones qui répondent à un fouillis non pertinent", explique Sunberg. "Le cerveau utilise activement le champ récepteur pour séparer le bon grain de l'ivraie."
Jude F. Mitchell, Ph.D., chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Reynolds, a également contribué à l'étude.
Le Salk Institute for Biological Studies de La Jolla, en Californie, est une organisation indépendante à but non lucratif dédiée aux découvertes fondamentales dans les sciences de la vie, à l'amélioration de la santé humaine et à la formation des futures générations de chercheurs. Jonas Salk, MD, dont le vaccin contre la poliomyélite a pratiquement éradiqué la poliomyélite, une maladie invalidante en 1955, a ouvert l'Institut en 1965 grâce à un don de terrain de la ville de San Diego et au soutien financier de la Marche des dix sous.
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