Malgré ce que vous pouvez penser, votre cerveau est un génie mathématique

Malgré ce que vous pouvez penser, votre cerveau est un génie mathématique

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

LA JOLLA, CA — L'ironie de partir en escapade dans un endroit isolé, c'est qu'il faut généralement affronter les embouteillages pour y arriver. Après des heures à éviter les conducteurs dangereux, vous arrivez enfin à ce paisible refuge de montagne, contemplez les eaux calmes d'un lac immaculé et félicitez-vous, fatigué, d'avoir « déconnecté ».

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

Le problème est que notre cerveau ne peut consacrer qu'un nombre limité de neurones à cette évaluation, explique Sergei Gepshtein, chercheur au Laboratoire du Centre de la Vision de Salk. « C'est un problème d'économie de ressources : si le système visuel dispose de ressources limitées, comment peut-il les utiliser au mieux ? »

Albright, Gepshtein et Luis A. Lesmes, spécialiste de la mesure de la performance humaine, ancien chercheur postdoctoral du Salk Institute, aujourd'hui au Schepens Eye Research Institute, ont proposé une réponse à cette question dans un récent numéro de Actes de l'Académie nationale des sciencesCela pourrait permettre de réconcilier les contradictions déroutantes de nombreuses études antérieures.

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

Image : avec l'aimable autorisation du Salk Institute for Biological Studies

Auparavant, les scientifiques s'attendaient à ce qu'une exposition prolongée à un environnement inconnu améliore la détection de ses détails subtils, comme le mouvement lent des vagues sur un lac. Pourtant, ceux qui ont tenté de confirmer cette hypothèse ont été surpris de constater que leurs expériences produisaient des résultats contradictoires. « Parfois, les personnes détectaient mieux un stimulus, parfois moins bien, parfois sans aucun effet, et parfois, elles détectaient mieux, mais pas pour le stimulus attendu », explique Albright, titulaire de la chaire Conrad T. Prebys de recherche sur la vision de Salk.

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

Il s’avère que quelque chose doit être fait.

« C'est comme si le cerveau avait un budget limité ; s'il consacre 70 % de son temps à un stimulus, il ne peut en consacrer que 30 % à un autre », explique Gepshtein. « Lorsque l'adaptation se produit, si vous êtes désormais habitué aux vitesses élevées, vous pourrez voir des objets se déplaçant plus rapidement que vous ne pouviez voir auparavant. Cependant, en allouant des ressources à ce stimulus, vous perdrez votre sensibilité à d'autres objets, qui peuvent vous être familiers ou non. »

En résumé, Albright dit : « En termes simples, c'est un compromis : le prix à payer pour s'améliorer dans un domaine est celui d'une dégradation 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 utilisés par le système visuel pour réaliser l'adaptation. Ces calculs sont similaires à la méthode de traitement du signal appelée transformée de Gabor, utilisée pour extraire des caractéristiques spatiales et temporelles.

Certes, même si vous avez du mal à équilibrer votre budget, il s'avère que votre cerveau utilise des opérations qu'un lauréat du prix Nobel a pu décrire. Dennis Gabor a reçu le prix Nobel de physique en 1971 pour son invention et le développement de l'holographie. Mais ce n'était pas sa seule réussite. Comme son contemporain Claude Shannon, il a travaillé sur certaines des questions les plus fondamentales de la théorie des communications, comme la façon dont une grande quantité d'informations peut être comprimée dans des canaux étroits.

« Gabor a prouvé que les mesures de deux propriétés fondamentales d’un signal – sa localisation et son contenu en fréquence – ne sont pas indépendantes l’une de l’autre », explique Gepshtein.

La localisation d'un signal se résume simplement à savoir où se trouve le signal à quel instant. Le contenu – le « quoi » d'un signal – s'écrit en termes de fréquences et mesure l'ampleur de sa variation, comme les différentes nuances de gris d'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 fenêtre de temps courte, tandis que la variation nécessite une fenêtre de temps plus longue (imaginez à quel point vous pouvez deviner avec plus de précision une chanson plus elle est jouée longtemps).

La réponse évidente est qu'il faut faire un compromis : on peut obtenir une mesure précise de l'une ou de l'autre, mais pas des deux. Mais comment être sûr d'avoir trouvé le meilleur compromis ? La solution de Gabor est ce que l'on appelle désormais le « filtre de Gabor », qui permet d'obtenir les mesures les plus précises possibles pour les deux qualités. Notre cerveau utilise une stratégie similaire, explique Gepshtein.

« Dans la vision humaine, les stimuli sont d'abord codés par des cellules neuronales dont les caractéristiques de réponse, appelées champs récepteurs, sont de tailles différentes », explique-t-il. « Les cellules neuronales dont les champs récepteurs sont plus grands sont sensibles aux fréquences spatiales plus basses que celles dont les champs récepteurs sont plus petits. C'est pourquoi les opérations réalisées par la vision biologique peuvent être décrites par une transformée en ondelettes de Gabor. »

En substance, les premières étapes du processus visuel agissent comme un filtre. « Il décrit les stimuli qui entrent et ceux qui ne passent pas », explique Gepshtein. « Lorsque vous modifiez l'environnement, le filtre change : certains stimuli, auparavant invisibles, deviennent visibles, mais comme vous avez déplacé le filtre, d'autres stimuli, que vous aviez peut-être détectés auparavant, ne passent plus. »

« Lorsqu'on ne voit que de petites parties de ce filtre, on constate que la sensibilité visuelle s'améliore parfois, et parfois se détériore, créant une image apparemment paradoxale », poursuit Gepshtein. « Mais lorsqu'on observe le filtre dans son ensemble, on découvre que les éléments – les gains et les pertes – s'additionnent pour former un motif cohérent. »

D'un point de vue psychologique, selon Albright, ce qui rend cela particulièrement intriguant 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.

Cependant, si l'adaptation se produit automatiquement, elle ne semble pas instantanée. Leurs expériences actuelles durent environ trente minutes, mais les scientifiques pensent que l'adaptation pourrait être plus rapide dans la nature.

Le travail a été soutenu par le National Institutes of Health le National Science Foundation, le Fondation Swartzainsi que, Fondation Kavli.

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.