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 schémas d'activité cérébrale

Les scientifiques de Salk montrent comment les neurones visuels codent l'information dynamique temporelle. On pensait auparavant que les neurones visuels codaient l'information en additionnant le nombre de potentiels d'action dans une fenêtre temporelle statique. Cette représentation est fixe, comme la photo d'un animal sur le point d'entrer en collision avec une voiture (ci-dessus). Les nouvelles recherches montrent que les neurones sont plus dynamiques et captent beaucoup plus d'informations temporelles, ce qui leur permet de révéler des informations contextuelles cruciales (à l'instar d'une courte vidéo montrant le même animal faisant demi-tour et évitant une collision automobile (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 touchées par la cécité.

Les pics d'activité électrique d'un neurone – le nombre de « pics » résultant de l'activation des cellules cérébrales – constituent le code de base de la perception, selon la pensée traditionnelle. Mais les neurones accélèrent et ralentissent constamment leurs signaux. Une nouvelle étude menée par des scientifiques du Salk Institute montre que la capacité à voir le monde ne dépend pas seulement du nombre de pics sur une période donnée, mais aussi de leur timing.

« 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 avancées théoriques nous permettent désormais 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 responsables de la perception de tout, des formes simples – certains groupes de neurones étant excités par un bord horizontal ou vertical, par exemple – aux stimuli complexes, comme des visages ou des lieux précis. L'équipe de Reynolds s'est concentrée sur une zone cérébrale visuelle appelée V4, située au centre du système visuel cérébral. Les neurones de V4 sont sensibles aux contours qui définissent les limites des objets et nous aident à reconnaître une forme, quelle que soit sa position 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 à l'intérieur d'un endroit désigné dans le champ visuel.

Ces résultats ont conduit l'équipe à se demander si le code d'activité de V4 pourrait être encore plus nuancé, captant des informations visuelles non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps. « Nous ne percevons 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 de la nouvelle étude.

Les scientifiques ont collaboré avec Monika Jadi, théoricienne et chercheuse postdoctorale de Salk, pour créer en code informatique ce qu'ils ont appelé un « observateur idéal ». En ayant uniquement accès aux données cérébrales, l'ordinateur déchiffrait – ou du moins devinait – les images animées observées. Une version de l'observateur idéal avait accès au nombre de décharges neuronales, tandis que l'autre avait accès à la chronologie complète des pics. En effet, ce dernier était capable de deviner les images avec une précision deux fois supérieure à celle de l'observateur plus basique.

De meilleures méthodes d'enregistrement et de stimulation cérébrale, ainsi que de meilleurs travaux de modélisation théorique, ont permis ces nouvelles découvertes. L'équipe prévoit désormais non seulement d'observer le V4, mais aussi de l'activer par la lumière grâce à une technique de pointe appelée optogénétique. Selon Reynolds, cela revient à tester le système visuel. Cela leur permettra de mieux comprendre la relation entre les schémas d'activité neuronale et la perception du monde par le cerveau, ce qui pourrait ouvrir la voie à des prothèses visuelles plus avancées.

La recherche a été soutenue par le National Institutes of Health, le Fondation de bienfaisance Gatsby, le Fondation Swartz et le Fonds pionnier 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 l' Université de Rochester à New York.