Ce que le cerveau a vu

30 mars 2011

Ce que le cerveau a vu

30 mars 2011

LA JOLLA, CA—Dès que nous ouvrons les yeux, nous percevons le monde avec une facilité apparente. Mais la question de savoir comment les neurones de la rétine encodent ce que nous « voyons » a été délicate. Un obstacle majeur à la compréhension du fonctionnement de notre cerveau est que ses composants - les neurones - répondent de manière hautement non linéaire à des stimuli complexes, ce qui rend les relations stimulus-réponse extrêmement difficiles à discerner.

Aujourd'hui, une équipe de physiciens du Salk Institute for Biological Studies a développé un cadre mathématique général qui utilise de manière optimale des mesures limitées, les rapprochant un peu plus du déchiffrement du "langage du cerveau". L'approche, décrite dans le numéro actuel du Bibliothèque publique des sciences, biologie computationnelle, révèle pour la première fois que seules les informations sur les paires de schémas de stimulation temporelle sont transmises au cerveau.

Les distributions de pointe pour les neurones répondant à deux caractéristiques peuvent avoir des formes difficiles à comprendre.

Image : Avec l'aimable autorisation du Dr Tatyana Sharpee, Salk Institute for Biological Studies

"Nous avons été surpris de constater que les combinaisons de stimuli d'ordre supérieur n'étaient pas codées, car elles sont si répandues dans notre environnement naturel", déclare le responsable de l'étude. Tatiana Sharpee, Ph.D., professeure adjointe au Laboratoire de neurobiologie computationnelle et titulaire de la chaire de développement Helen McLorraine en neurobiologie. « Les humains sont assez sensibles aux changements dans les combinaisons de modèles spatiaux d'ordre supérieur. Nous avons constaté que ce n'était pas le cas pour les modèles temporels. Cela met en évidence une différence fondamentale dans les aspects spatiaux et temporels de l'encodage visuel.

Le visage humain est un exemple parfait d'une combinaison d'ordre supérieur de modèles spatiaux. Tous les composants - les yeux, le nez, la bouche - ont des relations spatiales très spécifiques les uns avec les autres, et même Picasso, dans sa période cubiste, n'a pas pu jeter les règles complètement par-dessus bord.

Nos yeux captent l'environnement visuel et transmettent au cerveau des informations sur les composants individuels, tels que la couleur, la position, la forme, le mouvement et la luminosité. Les neurones individuels de la rétine sont excités par certaines caractéristiques et répondent par un signal électrique, ou pic, qui est transmis aux centres visuels du cerveau, où les informations envoyées par les neurones aux préférences différentes sont assemblées et traitées.

Pour des événements sensoriels simples, comme allumer une lumière, par exemple, la luminosité est bien corrélée avec la probabilité de pointe dans une cellule sensible à la luminance dans la rétine. "Cependant, au cours de la dernière décennie, il est devenu évident que les neurones codent en fait des informations sur plusieurs caractéristiques en même temps", explique Jeffrey D. Fitzgerald, étudiant diplômé et premier auteur.

Exemple de stimulus lumineux scintillant présenté lors de l'expérience.

Film : Avec l'aimable autorisation du Dr Tatyana Sharpee, Salk Institute for Biological Studies

"Jusqu'à présent, la majeure partie du travail s'est concentrée sur l'identification des caractéristiques auxquelles la cellule réagit", dit-il. "La question de savoir quel type d'informations sur ces caractéristiques la cellule encode avait été ignorée. Les mesures directes des relations stimulus-réponse ont souvent donné des formes étranges [voir la figure 1, par exemple], et les gens n'avaient pas de cadre mathématique pour l'analyser.

Pour surmonter ces limites, Fitzgerald et ses collègues ont développé un modèle dit minimal des relations non linéaires des systèmes de traitement de l'information en maximisant une quantité appelée entropie de bruit. Ce dernier décrit l'incertitude quant à la probabilité qu'un neurone augmente en réponse à un stimulus.

Lorsque Fitzgerald a appliqué cette approche aux enregistrements de neurones visuels sondés avec des films scintillants, que les co-auteurs Lawrence Sincich et Jonathan Horton de l'Université de Californie à San Francisco avaient réalisés, il a découvert qu'en moyenne, les corrélations de premier ordre représentaient 78% des informations codées, tandis que les corrélations de second ordre représentaient plus de 92 %. Ainsi, le cerveau recevait très peu d'informations sur les corrélations supérieures au second ordre.

"Les systèmes biologiques à toutes les échelles, des molécules aux écosystèmes, peuvent tous être considérés comme des processeurs d'informations qui détectent des événements importants dans leur environnement et les transforment en informations exploitables", déclare Sharpee. "Nous espérons donc que cette façon de" concentrer "les données en identifiant les relations stimulus-réponse critiques les plus informatives sera utile dans d'autres domaines de la biologie des systèmes."

Le travail a été financé en partie par les National Institutes of Health, le programme Searle Scholar, la bourse Alfred P. Sloan, le prix d'excellence en recherche WM Keck et le prix Ray Thomas Edwards pour le développement de carrière en sciences biomédicales.

À propos du Salk Institute for Biological Studies:
L'Institut Salk d'études biologiques est l'une des principales institutions de recherche fondamentale au monde, où des professeurs de renommée internationale étudient les questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur le mentorat des futures générations de chercheurs, les scientifiques de Salk apportent des contributions révolutionnaires à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale et les disciplines connexes.

Les réalisations du corps professoral ont été récompensées par de nombreuses distinctions, notamment des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par Jonas Salk, MD, pionnier du vaccin contre la poliomyélite, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.