Dans l’illusion d’optique classique du « vase de Rubin », vous pouvez voir soit un vase élaboré et courbé, soit deux visages, les nez se touchant presque. À un moment donné, la scène que vous percevez dépend du fait que votre cerveau considère la forme centrale du vase comme le premier plan ou l’arrière-plan de l’image.
Aujourd’hui, le professeur John Reynolds et le chercheur postdoctoral principal Tom Franken ont fait des progrès dans la compréhension de la façon dont le cerveau décide de quel côté d’une frontière visuelle est un objet de premier plan et lequel est un objet d’arrière-plan. La recherche, publiée le 30 novembre 2021 dans la revue eLife, met en lumière la façon dont les zones du cerveau communiquent pour interpréter les informations sensorielles et construire une image du monde qui nous entoure.
« La façon dont le cerveau organise et génère une représentation du monde extérieur est encore aujourd’hui l’une des plus grandes inconnues des neurosciences », explique Reynolds, titulaire de la chaire Fiona et Sanjay Jha en neurosciences. « Notre recherche fournit des informations importantes sur la façon dont le cerveau traite les frontières, ce qui pourrait conduire à une meilleure compréhension des conditions psychiatriques où la perception est perturbée, comme dans la schizophrénie. »
Lorsque vous regardez une scène devant vous, les neurones individuels du cortex cérébral reçoivent chacun des informations sur une minuscule région de la scène. Les neurones recevant des informations de la frontière d’un objet ont donc peu de contexte initial sur le côté qui est au premier plan. Cependant, les scientifiques ont précédemment découvert un ensemble de cellules qui signalent très rapidement de quel côté de la frontière appartient l’objet (« propriété de la frontière ») ; après tout, la perception de la profondeur et la capacité de repérer des objets devant vous sont essentielles à la survie ; est-ce un trottoir ou une ombre, un rocher ou une grotte ?
On ne sait pas exactement comment ces neurones du cerveau calculent la propriété des frontières. Certains scientifiques ont émis l’hypothèse qu’à mesure que les informations de l’œil traversent le cerveau, dans des zones successivement plus en aval (plus profondes), des calculs supplémentaires se produisent dans chaque zone jusqu’à ce que votre cerveau construise un modèle de la scène visuelle. C’est ce qu’on appelle la voie « feedforward ». Mais d’autres scientifiques ont émis l’hypothèse de l’importance de la voie de « rétroaction », dans laquelle les zones en aval du cerveau doivent d’abord traiter les informations, puis renvoyer ces indices aux neurones des zones en amont, pour les aider à déterminer la propriété des frontières.
Reynolds et Franken ont entrepris de déterminer quelle hypothèse était correcte. Ils ont utilisé des électrodes pour enregistrer l’activité des neurones dans différentes couches du cortex cérébral alors que les animaux voyaient une image d’un objet carré sur un fond autrement vierge. Les scientifiques ont d’abord déterminé quels neurones particuliers traitaient les informations d’une petite partie de la frontière qui délimite le carré et l’arrière-plan ; Ensuite, ils ont mesuré la synchronisation des signaux de propriété de frontière dans ces neurones et l’ont comparé pour les neurones de différentes couches.
« Ce que nous avons découvert, c’est que les premiers signaux sur la propriété des frontières se produisent dans les neurones des couches profondes du cortex cérébral », explique Franken, qui est médecin-chercheur et soutenu par un prix K99 Pathway to Independence des National Institutes of Health. « Cela confirme l’importance de la voie de rétroaction pour déchiffrer les frontières, car les connexions de rétroaction arrivent et partent des neurones dans les couches profondes. »
Les chercheurs ont également observé que les neurones empilés verticalement dans différentes couches du cortex avaient tendance à partager la même préférence de propriété des frontières. Par exemple, certaines colonnes de neurones préféraient les scènes où le côté gauche d’une bordure était l’objet, tandis que d’autres colonnes de neurones préféraient les scènes où le côté droit d’une bordure était l’objet. Franken explique que ces résultats suggèrent que la rétroaction pourrait en fait être organisée de manière systématique, une voie prometteuse pour des recherches ultérieures.
« Alors que nous arrivons à comprendre l’architecture du cerveau et comment des ensembles de neurones communiquent entre eux pour construire notre représentation interne du monde externe, nous sommes mieux placés pour développer des outils de diagnostic et des traitements des troubles cérébraux dans lesquels ces représentations internes sont déformée, comme la schizophrénie », explique Franken. « Les hallucinations et les délires associés à la schizophrénie peuvent être associés aux perturbations des boucles de rétroaction. »
Ensuite, Franken suivra ces résultats avec des expériences pour étudier comment les informations véhiculées par le feedback contribuent au traitement des frontières.
Le travail a été soutenu par des subventions de la George E. Hewitt Foundation for Medical Research, une subvention NARSAD Young Investigator de la Brain & Behaviour Research Foundation et du National Eye Institute des National Institutes of Health.
