Ce que le cerveau a vu

30 mars ,

Ce que le cerveau a vu

30 mars ,

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

Une équipe de physiciens du Salk Institute for Biological Studies a développé un cadre mathématique général qui optimise l'utilisation de mesures limitées, les rapprochant ainsi un peu plus du déchiffrement du « langage du cerveau ». Cette approche, décrite dans le dernier numéro de la revue Bibliothèque publique des sciences, biologie computationnelle, révèle pour la première fois que seules les informations sur les paires de modèles de stimuli temporels sont transmises au cerveau.

Les distributions de pics 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 très répandues dans notre environnement naturel », explique le responsable de l'étude. Tatiana Sharpee, Ph. D., professeur adjoint au Laboratoire de neurobiologie computationnelle et titulaire de la chaire de développement Helen McLorraine en neurobiologie. « Les humains sont très sensibles aux variations des combinaisons d'ordre supérieur de motifs spatiaux. Nous avons constaté que ce n'était pas le cas pour les motifs temporels. Cela met en évidence une différence fondamentale dans les aspects spatiaux et temporels de l'encodage visuel. »

Le visage humain est un parfait exemple d'une combinaison d'ordre supérieur de motifs spatiaux. Tous ses éléments – yeux, nez, bouche – entretiennent des relations spatiales très spécifiques, et même Picasso, durant sa période cubiste, n'a pas pu complètement transgresser ces règles.

Nos yeux perçoivent l'environnement visuel et transmettent au cerveau des informations sur ses composantes individuelles, telles que la couleur, la position, la forme, le mouvement et la luminosité. Chaque neurone de la rétine est excité par certaines caractéristiques et répond par un signal électrique, ou pic, transmis aux centres visuels du cerveau, où les informations envoyées par les neurones ayant des préférences différentes sont rassemblées et traitées.

Pour des événements sensoriels simples, comme allumer une lumière, par exemple, la luminosité est bien corrélée à la probabilité de pics dans une cellule rétinienne sensible à la luminance. « Cependant, depuis une dizaine d'années, il est devenu évident que les neurones codent en réalité des informations sur plusieurs caractéristiques simultanément », explique Jeffrey D. Fitzgerald, étudiant diplômé et premier auteur.

Exemple de stimulus lumineux vacillant présenté pendant l'expérience.

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

« Jusqu'à présent, la plupart des travaux se sont concentrés sur l'identification des caractéristiques auxquelles la cellule réagit », explique-t-il. « La question de savoir quel type d'informations la cellule code sur ces caractéristiques était ignorée. Les mesures directes des relations stimulus-réponse produisaient souvent des formes étranges [voir la figure 1, par exemple], et les chercheurs ne disposaient pas d'un cadre mathématique pour les analyser. »

Pour surmonter ces limitations, 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. Cette dernière décrit l'incertitude quant à la probabilité qu'un neurone produise un pic en réponse à un stimulus.

Lorsque Fitzgerald a appliqué cette approche aux enregistrements de neurones visuels sondés avec des films scintillants, réalisés par les coauteurs Lawrence Sincich et Jonathan Horton de l'Université de Californie à San Francisco, il a découvert qu'en moyenne, les corrélations de premier ordre représentaient 78 % de l'information codée, tandis que les corrélations de second ordre en 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'information qui détectent les événements importants dans leur environnement et les transforment en informations exploitables », explique Sharpee. « Nous espérons donc que cette méthode de "focalisation" des données, en identifiant les relations stimulus-réponse critiques et extrêmement informatives, sera utile dans d'autres domaines de la biologie des systèmes. »

Les travaux ont été financés en partie par les National Institutes of Health, le Searle Scholar Program, la bourse Alfred P. Sloan, le WM Keck Research Excellence Award et le Ray Thomas Edwards Career Development Award in Biomedical Sciences.

À propos du Salk Institute for Biological Studies :
Le Salk Institute for Biological Studies est l'un des principaux instituts de recherche fondamentale au monde. Des professeurs de renommée internationale y explorent des questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur l'encadrement des futures générations de chercheurs, les scientifiques du Salk contribuent de manière révolutionnaire 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 de ses professeurs ont été récompensées par de nombreuses distinctions, dont des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par le Dr Jonas Salk, pionnier du vaccin contre la polio, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.