Lorsqu'il s'agit de reconnaître des formes, le timing est primordial

Lorsqu'il s'agit de reconnaître des formes, le timing est primordial

Des chercheurs de l'Institut Salk montrent comment la vision dépend des modèles d'activité cérébrale

Les scientifiques de Salk montrent comment les neurones visuels codent les informations dynamiques temporelles. On pensait auparavant que les neurones visuels codent les informations en additionnant le nombre de potentiels d'action dans une fenêtre temporelle statique. Cette représentation est figée, comme une photo d'un animal semblant sur le point d'entrer en collision avec une voiture, ci-dessus. La nouvelle recherche montre que les neurones sont plus dynamiques et capturent beaucoup plus d'informations liées au timing, ce qui leur permet de révéler des informations contextuelles critiques (analogue à une courte vidéo montrant le même animal faisant demi-tour et évitant une collision de voiture, ci-dessous).

LA JOLLA—Les prothèses visuelles, ou yeux bioniques, deviennent bientôt une réalité, alors que les chercheurs progressent dans les stratégies visant à réactiver les parties du cerveau qui traitent les informations visuelles chez les personnes atteintes de cécité.

Selon la pensée traditionnelle, les sursauts de l'activité électrique d'un neurone – le nombre de « pointes » qui se produisent lorsque les cellules cérébrales s'activent – ​​constituent le code de base de la perception. Mais les neurones accélèrent et ralentissent constamment leurs signaux. Une nouvelle étude menée par des scientifiques de l'Institut Salk montre que la possibilité de voir le monde dépend non seulement du nombre de pics sur une fenêtre de temps, mais également du moment de ces pics.

"En vision, il s'avère qu'il y a une énorme quantité d'informations présentes dans les schémas d'activité des neurones au fil du temps", explique le professeur Salk. Jean Reynolds, chercheur principal de l'étude et titulaire de la chaire Fiona et Sanjay Jha en neurosciences. "L'augmentation de la puissance de calcul et les nouvelles avancées théoriques nous ont maintenant permis de commencer à explorer ces modèles." L'étude a été publiée le 4 août 2016 dans la revue Neuron.

Le cerveau humain abrite un vaste réseau de neurones chargés de tout voir, des formes simples (certains groupes de neurones étant excités par un bord horizontal ou vertical, par exemple) aux stimuli complexes, tels que des visages ou des endroits spécifiques. L'équipe de Reynolds s'est concentrée sur une zone visuelle du cerveau appelée V4, située au milieu du système visuel du cerveau. Les neurones de V4 sont sensibles aux contours qui définissent les limites des objets et nous aident à reconnaître une forme quel que soit son emplacement dans l'espace. Mais Reynolds et le chercheur postdoctoral Anirvan Nandy découvert en 2013 que V4 était plus compliqué : certains neurones de la zone ne s'intéressent qu'aux contours d'un point désigné du champ visuel.

Ces découvertes ont conduit l'équipe à se demander si le code d'activité de V4 pouvait être encore plus nuancé, prenant en compte des informations visuelles non seulement dans l'espace mais aussi dans le temps. « Nous ne voyons pas le monde qui nous entoure comme si nous regardions une série de photographies. Nous vivons et voyons en temps réel et nos neurones le captent », explique Nandy, auteur principal du nouvel article.

Les scientifiques ont collaboré avec la théoricienne de Salk et chercheuse postdoctorale Monika Jadi pour créer en code informatique ce qu'ils ont appelé un « observateur idéal ». N'ayant accès qu'aux données cérébrales, l'ordinateur déchiffrerait - ou du moins devinerait - les images animées qui avaient été vues. Une version de l'observateur idéal avait accès au nombre de fois que les neurones s'activaient, tandis que l'autre version avait accès à la synchronisation complète des pointes. En effet, ce dernier observateur a pu deviner les images plus de deux fois plus précisément que l'observateur plus basique.

De meilleures façons d'enregistrer et de stimuler le cerveau, et de meilleurs efforts de modélisation théorique, ont permis ces nouvelles découvertes. Désormais, le groupe prévoit non seulement d'observer le V4, mais aussi de l'activer à l'aide de la lumière grâce à une technique de pointe appelée optogénétique. Ceci, dit Reynolds, revient à faire tourner le système visuel. Cela les aidera à mieux comprendre la relation entre les modèles d'activité des neurones et la façon dont le cerveau perçoit le monde, jetant potentiellement les bases de prothèses visuelles plus avancées.

La recherche a été soutenue par le National Institutes of Health, un Fondation de bienfaisance Gatsby, un Fondation Swartz et le Fonds des pionniers de l'Institut Salk. L'étude a également été rédigée par Jude Mitchell, anciennement de Salk et maintenant professeur adjoint de sciences du cerveau et cognitives à la Université de Rochester à New York.