Des neuroscientifiques ont révélé comment les informations sensorielles se transforment en actions motrices dans plusieurs régions du cerveau chez la souris. Cette recherche, menée au Sainsbury Wellcome Centre de l'UCL, montre que la prise de décision est un processus global dans le cerveau qui est coordonné par l'apprentissage. Ces résultats pourraient aider la recherche en intelligence artificielle en fournissant des informations sur la manière de concevoir des réseaux neuronaux plus distribués.
« Ce travail unifie les concepts précédemment décrits pour des zones cérébrales individuelles en une vue cohérente qui correspond à la dynamique neuronale à l'échelle du cerveau. Nous avons maintenant une image complète de ce qui se passe dans le cerveau lorsque les informations sensorielles sont transformées en action par un processus de décision », explique le professeur Tom Mrsic-Flogel, directeur du Sainsbury Wellcome Centre à l'UCL et auteur correspondant de l'article.
L'étude, publiée aujourd'hui dans Naturedécrit comment les chercheurs ont utilisé les sondes Neuropixels, une technologie de pointe permettant des enregistrements simultanés de centaines de neurones dans plusieurs régions du cerveau, pour étudier des souris participant à une tâche de prise de décision. La tâche, développée par le Dr Ivana Orsolic du SWC, a permis à l'équipe de faire la distinction entre le traitement sensoriel et le contrôle moteur. Les chercheurs ont également révélé la contribution de l'apprentissage en étudiant des animaux entraînés à la tâche et en les comparant à des animaux naïfs.
Nous prenons souvent des décisions basées sur des preuves ambiguës. Par exemple, lorsqu'il commence à pleuvoir, vous devez décider de la fréquence à laquelle les gouttes de pluie doivent tomber avant d'ouvrir votre parapluie. Nous avons étudié cette même intégration de preuves ambiguës chez la souris pour comprendre comment le cerveau traite les décisions perceptives.
Dr. Michael Lohse, chercheur postdoctoral Sir Henry Wellcome au SWC et co-premier auteur de l'article
Les souris ont été entraînées à rester immobiles pendant qu'elles observaient un motif visuel se déplacer sur un écran. Pour recevoir une récompense, les souris devaient lécher un bec lorsqu'elles détectaient une augmentation soutenue de la vitesse de déplacement du motif visuel. La tâche a été conçue de telle sorte que la vitesse du mouvement ne soit jamais constante, mais fluctue continuellement. Le moment de l'augmentation de la vitesse moyenne changeait également d'un essai à l'autre, de sorte que les souris ne pouvaient pas simplement se souvenir du moment où l'augmentation soutenue s'était produite. Ainsi, les souris devaient constamment prêter attention au stimulus et intégrer l'information pour déterminer si l'augmentation de la vitesse s'était produite.
« En entraînant les souris à rester immobiles, l'analyse des données que nous avons pu effectuer était beaucoup plus propre et la tâche nous a permis d'observer comment les neurones suivent les fluctuations aléatoires de vitesse avant que les souris n'agissent. Chez les souris entraînées, nous avons découvert qu'il n'existe pas de région cérébrale unique qui intègre les preuves sensorielles ou orchestre le processus. Au lieu de cela, nous avons découvert que des neurones dispersés mais largement répartis dans le cerveau relient les preuves sensorielles et le déclenchement de l'action », explique le Dr Andrei Khilkevich, chercheur principal au laboratoire Mrsic-Flogel et co-auteur principal de l'article.
Les chercheurs ont enregistré plusieurs fois les données de chaque souris et ont collecté des données provenant de plus de 15 000 cellules réparties dans 52 régions cérébrales de 15 souris entraînées. Pour étudier l'apprentissage, l'équipe a également comparé les résultats à des enregistrements de souris naïves.
« Nous avons constaté que lorsque les souris ne savent pas ce que signifie le stimulus visuel, elles ne représentent l'information que dans le système visuel du cerveau et dans quelques régions du mésencéphale. Une fois qu'elles ont appris la tâche, les cellules intègrent les preuves dans tout le cerveau », explique le Dr Lohse.
Dans cette étude, l’équipe n’a étudié que des animaux naïfs et ceux qui avaient pleinement appris la tâche, mais dans le cadre de travaux futurs, elle espère découvrir comment le processus d’apprentissage se produit en suivant les neurones au fil du temps pour voir comment ils évoluent lorsque les souris commencent à comprendre la tâche. Les chercheurs cherchent également à déterminer si des zones spécifiques du cerveau agissent comme des centres causaux dans l’établissement de ces liens entre sensations et actions.
L’étude a également soulevé plusieurs questions supplémentaires, notamment la manière dont le cerveau intègre l’attente du moment où la vitesse du motif visuel va augmenter, de sorte que les animaux ne réagissent au stimulus que lorsque l’information est pertinente. L’équipe prévoit d’étudier ces questions plus en détail à l’aide de l’ensemble de données qu’elle a collecté.
Cette étude a été financée par des bourses Wellcome (217211/Z/19/Z et 224121/Z/21/Z) et par la subvention de base du Sainsbury Wellcome Centre de la Gatsby Charitable Foundation (GAT3755) et Wellcome (219627/Z/19/Z).
