Comprendre la relation entre le mouvement et la vision

Revue par Emily Henderson, B.Sc.15 août 2020

Pour mieux voir le monde qui les entoure, les animaux sont constamment en mouvement. Les primates et les humains utilisent des mouvements oculaires complexes pour concentrer leur vision (comme le font les humains lorsqu'ils lisent, par exemple); les oiseaux, les insectes et les rongeurs font de même en bougeant la tête et peuvent même estimer les distances de cette façon. Pourtant, la manière dont ces mouvements se jouent dans les circuits élaborés des neurones que le cerveau utilise pour «voir» est en grande partie inconnue. Et cela pourrait être un problème potentiel, car les scientifiques créent des réseaux de neurones artificiels qui imitent le fonctionnement de la vision dans les voitures autonomes.

Pour mieux comprendre la relation entre le mouvement et la vision, une équipe de chercheurs de Harvard a examiné ce qui se passe dans l'une des principales régions du cerveau pour analyser les images lorsque les animaux sont libres de se déplacer naturellement. Les résultats de l'étude, publiés mardi dans la revue Neurone, suggèrent que les circuits de traitement d'image dans le cortex visuel primaire sont non seulement plus actifs lorsque les animaux se déplacent, mais qu'ils reçoivent des signaux d'une région du cerveau contrôlant le mouvement qui est indépendante de la région qui traite ce que l'animal regarde. En fait, les chercheurs décrivent deux ensembles de modèles liés au mouvement dans le cortex visuel qui sont basés sur le mouvement de la tête et si un animal est dans la lumière ou l'obscurité.

Les découvertes liées au mouvement étaient inattendues, car la vision a tendance à être considérée comme un système de calcul par anticipation dans lequel les informations visuelles pénètrent à travers la rétine et se déplacent sur des circuits neuronaux qui fonctionnent sur un chemin à sens unique, traitant l'information pièce par pièce. . Ce que les chercheurs ont vu ici est davantage de preuves que le système visuel a beaucoup plus de composants de rétroaction où les informations peuvent voyager dans des directions opposées qu'on ne le pensait.

Ces résultats offrent un aperçu nuancé du fonctionnement de l'activité neuronale dans une région sensorielle du cerveau et s'ajoutent à un nombre croissant de recherches qui réécrivent le modèle classique de vision dans le cerveau.

C'était vraiment surprenant de voir ce type d'informations (liées au mouvement) dans le cortex visuel parce que les gens ont traditionnellement pensé au cortex visuel comme quelque chose qui ne traite que les images. Il était mystérieux, au début, pourquoi cette région sensorielle aurait cette représentation des types spécifiques de mouvements que l'animal faisait. « 

Grigori Guitchounts, chercheur postdoctoral au département de neurobiologie de la Harvard Medical School et auteur principal de l'étude

Bien que les scientifiques n'aient pas été en mesure de dire définitivement pourquoi cela se produit, ils pensent que cela a à voir avec la façon dont le cerveau perçoit ce qui l'entoure.

« L'explication modèle pour cela est que le cerveau a besoin d'une manière ou d'une autre de coordonner la perception et l'action », a déclaré Guitchounts. « Vous avez besoin de savoir quand une entrée sensorielle est causée par votre propre action plutôt que quand elle est causée par quelque chose là-bas dans le monde. »

Pour l'étude, Guitchounts s'est associé à l'ancien professeur du Département de biologie moléculaire et cellulaire David Cox, ancien élève Javier Masis, M.A.'15, Ph.D. '18, et le chercheur postdoctoral Steffen B.E. Wolff. Les travaux ont commencé en 2017 et se sont terminés en 2019 alors que Guitchounts était chercheur diplômé dans le laboratoire de Cox. Une version préimprimée de l'article publiée en janvier.

La configuration typique des expériences passées sur la vision fonctionnait comme ceci: les animaux, comme les souris ou les singes, étaient sous sédation, retenus pour que leur tête soit dans des positions fixes, puis reçoivent des stimuli visuels, comme des photographies, afin que les chercheurs puissent voir quels neurones du cerveau ont réagi. . L'approche a été lancée par les scientifiques de Harvard David H. Hubel et Torsten N. Wiesel dans les années 1960, et en 1981, ils ont remporté un prix Nobel de médecine pour leurs efforts. De nombreuses expériences depuis lors ont suivi leur modèle, mais cela n'a pas éclairé comment le mouvement affecte les neurones qui analysent.

Les chercheurs de cette dernière expérience voulaient explorer cela, ils ont donc regardé 10 rats vaquer à leurs jours et leurs nuits. Les scientifiques ont placé chaque rat dans une enceinte, qui faisait également office de maison, et ont enregistré en continu les mouvements de leur tête. À l'aide d'électrodes implantées, ils ont mesuré l'activité cérébrale dans le cortex visuel primaire lorsque les rats se déplaçaient.

La moitié des enregistrements ont été réalisés avec les lumières allumées. L'autre moitié a été enregistrée dans l'obscurité totale. Les chercheurs voulaient comparer ce que faisait le cortex visuel quand il y avait une entrée visuelle par rapport à quand il n'y en avait pas. Pour être sûrs que la pièce était complètement noire, ils ont fermé avec du ruban adhésif toute crevasse qui pouvait laisser entrer la lumière, car les rats ont notoirement une bonne vision la nuit.

Les données ont montré qu'en moyenne, les neurones du cortex visuel des rats étaient plus actifs lorsque les animaux bougeaient que lorsqu'ils se reposaient, même dans l'obscurité. Cela a pris les chercheurs au dépourvu: dans une salle noire, il n'y a pas de données visuelles à traiter. Cela signifiait que l'activité provenait du cortex moteur et non d'une image externe.

L'équipe a également remarqué que les modèles neuronaux dans le cortex visuel qui se déclenchaient pendant le mouvement différaient dans l'obscurité et la lumière, ce qui signifie qu'ils n'étaient pas directement connectés. Certains neurones prêts à s'activer dans l'obscurité étaient dans une sorte de mode veille à la lumière.

À l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique, les chercheurs ont encodé les deux modèles. Cela leur permettait non seulement de dire de quelle manière un rat bougeait la tête en regardant simplement l'activité neuronale dans son cortex visuel, mais aussi de prédire le mouvement plusieurs centaines de millisecondes avant que le rat ne le fasse.

Les chercheurs ont confirmé que les signaux de mouvement provenaient de la zone motrice du cerveau en se concentrant sur le cortex moteur secondaire. Ils l'ont détruit chirurgicalement chez plusieurs rats, puis ont recommencé les expériences. Les rats chez lesquels cette zone du cerveau était lésée n'émettaient plus de signaux dans le cortex visuel. Cependant, les chercheurs n'ont pas été en mesure de déterminer si le signal provient du cortex moteur secondaire. Ce pourrait être seulement là où ça passe, ont-ils dit.

En outre, les scientifiques ont souligné certaines limites dans leurs découvertes. Par exemple, ils ne mesuraient que le mouvement de la tête et ne mesuraient pas les mouvements des yeux. L'étude est également basée sur les rongeurs, qui sont nocturnes. Leurs systèmes visuels partagent des similitudes avec les humains et les primates, mais diffèrent en complexité. Pourtant, l'article ajoute à de nouvelles lignes de recherche et les résultats pourraient potentiellement être appliqués aux réseaux de neurones qui contrôlent la vision industrielle, comme ceux des véhicules autonomes.

« Tout est pour mieux comprendre comment la vision fonctionne réellement », a déclaré Guitchounts. «La neuroscience entre dans une nouvelle ère où nous comprenons que la perception et l'action sont des boucles entrelacées. … Il n'y a pas d'action sans perception et pas de perception sans action. Nous avons maintenant la technologie pour mesurer cela.