Malgré ce que vous pensez, votre cerveau est un génie des mathématiques

Malgré ce que vous pensez, votre cerveau est un génie des mathématiques

Les neuroscientifiques de Salk proposent comment le système visuel s'adapte automatiquement à de nouveaux environnements

LA JOLLA, CA - L'ironie de s'éloigner dans un endroit éloigné est que vous devez généralement lutter contre la circulation pour vous y rendre. Après des heures passées à esquiver les conducteurs dangereux, vous arrivez enfin dans cette paisible retraite de montagne, regardez les eaux douces d'un lac immaculé et félicitez votre moi fatigué d'avoir « éteint votre cerveau ».

"En fait, vous venez de donner à votre cerveau un tout nouveau défi", dit Thomas D. Albright, directeur du Laboratoire du Centre de la Vision du Salk Institute et spécialiste du fonctionnement du système visuel. « Vous pensez peut-être que vous vous reposez, mais votre cerveau évalue automatiquement les propriétés spatio-temporelles de ce nouvel environnement : quels objets s'y trouvent, se déplacent-ils et, si oui, à quelle vitesse se déplacent-ils ?

Le dilemme est que notre cerveau ne peut consacrer qu'un nombre limité de neurones à cette évaluation, explique Sergei Gepshtein, chercheur au sein du laboratoire du centre de vision de Salk. « C'est un problème d'économie de ressources : si le système visuel a des ressources limitées, comment peut-il les utiliser le plus efficacement ? »

Albright, Gepshtein et Luis A. Lesmes, spécialiste de la mesure de la performance humaine, ancien post-doctorant au Salk Institute, aujourd'hui au Schepens Eye Research Institute, ont proposé une réponse à la question dans un récent numéro de Actes de l'Académie nationale des sciences. Cela peut réconcilier les contradictions déroutantes de nombreuses études antérieures.

De gauche à droite : Sergei Gepshtein et Thomas D. Albright

Image : Avec l'aimable autorisation de l'Institut Salk d'études biologiques

Auparavant, les scientifiques s'attendaient à ce qu'une exposition prolongée à un nouvel environnement vous permette de mieux détecter ses détails subtils, tels que le ralenti des vagues sur ce lac. Pourtant, ceux qui ont tenté de confirmer cette idée ont été surpris lorsque leurs expériences ont produit des résultats contradictoires. "Parfois, les gens s'amélioraient pour détecter un stimulus, parfois ils empiraient, parfois il n'y avait aucun effet du tout, et parfois les gens s'amélioraient, mais pas pour le stimulus attendu", explique Albright, titulaire de la chaire Conrad T. Prebys de Salk en vision. Recherche.

La réponse, selon Gepshtein, est venue d'une nouvelle question : que se passe-t-il lorsque vous examinez le problème de l'allocation des ressources du point de vue d'un système ?

Il s'avère que quelque chose doit donner.

« C'est comme si le cerveau avait un budget ; s'il consacre 70 % ici, il ne peut en consacrer que 30 % là-bas », déclare Gepshtein. "Lorsque l'adaptation se produit, si maintenant vous êtes à l'écoute des vitesses élevées, vous pourrez voir des choses en mouvement plus rapides que vous ne pouviez pas voir auparavant, mais en raison de l'allocation de ressources à ce stimulus, vous perdez la sensibilité aux autres choses, qui peuvent ou non être familières.

En résumé, Albright dit : "En termes simples, c'est un compromis : le prix à payer pour s'améliorer dans un domaine empire dans un autre."

Gepshtein, un neuroscientifique computationnel, analyse le cerveau du point de vue d'un théoricien, et le PNAS l'article détaille les calculs que le système visuel utilise pour accomplir l'adaptation. Les calculs sont similaires à la méthode de traitement du signal connue sous le nom de transformée de Gabor, qui est utilisée pour extraire des caractéristiques dans les domaines spatial et temporel.

Oui, bien que vous ayez du mal à équilibrer votre chéquier, il s'avère que votre cerveau utilise des opérations qu'il a fallu à un lauréat du prix Nobel pour décrire. Dennis Gabor a remporté le prix Nobel de physique en 1971 pour son invention et le développement de l'holographie. Mais ce n'était pas sa seule réalisation. Comme son contemporain Claude Shannon, il a travaillé sur certaines des questions les plus fondamentales de la théorie des communications, telles que la manière dont une grande quantité d'informations peut être compressée dans des canaux étroits.

"Gabor a prouvé que les mesures de deux propriétés fondamentales d'un signal - son emplacement et son contenu fréquentiel - ne sont pas indépendantes l'une de l'autre", explique Gepshtein.

L'emplacement d'un signal est simplement cela : où se trouve le signal à quel moment. Le contenu - le "quoi" d'un signal - est "écrit" dans le langage des fréquences et est une mesure de la quantité de variation, comme les différentes nuances de gris dans une photographie.

Le défi survient lorsque vous essayez de mesurer à la fois l'emplacement et la fréquence, car l'emplacement est déterminé avec plus de précision dans une courte fenêtre de temps, tandis que la variation nécessite une fenêtre de temps plus longue (imaginez avec quelle précision vous pouvez deviner une chanson plus elle joue longtemps) .

La réponse évidente est que vous êtes coincé avec un compromis : vous pouvez obtenir une mesure précise de l'un ou de l'autre, mais pas des deux. Mais comment être sûr d'avoir trouvé le meilleur compromis possible ? La réponse de Gabor était ce qui est devenu connu sous le nom de « filtre de Gabor » qui permet d'obtenir les mesures les plus précises possibles pour les deux qualités. Nos cerveaux emploient une stratégie similaire, dit Gepshtein.

"Dans la vision humaine, les stimuli sont d'abord codés par des cellules neurales dont les caractéristiques de réponse, appelées champs récepteurs, ont des tailles différentes", explique-t-il. « Les cellules neurales qui ont des champs récepteurs plus grands sont sensibles aux fréquences spatiales plus basses que les cellules qui ont des champs récepteurs plus petits. Pour cette raison, les opérations effectuées par la vision biologique peuvent être décrites par une transformée en ondelettes de Gabor.

Essentiellement, les premières étapes du processus visuel agissent comme un filtre. "Il décrit quels stimuli entrent et lesquels n'entrent pas", explique Gepshtein. "Lorsque vous changez d'environnement, le filtre change, de sorte que certains stimuli, qui étaient invisibles auparavant, deviennent visibles, mais parce que vous avez déplacé le filtre, d'autres stimuli, que vous avez peut-être détectés auparavant, n'entrent plus."

"Lorsque vous ne voyez que de petites parties de ce filtre, vous constatez que la sensibilité visuelle s'améliore parfois et parfois s'aggrave, créant une image apparemment paradoxale", poursuit Gepshtein. "Mais lorsque vous voyez l'ensemble du filtre, vous découvrez que les pièces - les gains et les pertes - s'additionnent pour former un modèle cohérent."

D'un point de vue psychologique, selon Albright, ce qui rend cela particulièrement intrigant, c'est que l'évaluation et l'adaptation se produisent automatiquement - tout ce traitement se produit que vous « prêtiez attention » consciemment ou non au changement de scène.

Pourtant, bien que l'adaptation se produise automatiquement, elle ne semble pas se produire instantanément. Leurs expériences actuelles prennent environ trente minutes à mener, mais les scientifiques pensent que l'adaptation peut prendre moins de temps dans la nature.

Les travaux ont été soutenus par le National Institutes of Health le National Science Foundation, un Fondation Swartzainsi que, Fondation Kavli.

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.