Les cellules cérébrales aident les poissons africains à décoder les signaux électriques pour repérer leurs proies, scanner leur environnement trouble et communiquer avec leurs congénères. En cartographiant rigoureusement la façon dont ces cellules du lobe électrosensoriel sont connectées entre elles, les scientifiques de l’Institut Zuckerman de Columbia et leurs collègues révèlent comment cette zone du cerveau apprend continuellement à filtrer les interférences qui autrement aveugleraient le sens électrique du poisson. Ils rapportent leurs découvertes dans Nature.
Le poisson africain faiblement électrique, également connu sous le nom de poisson à nez d’éléphant, possède des organes spécialisés sur sa peau pour non seulement détecter les champs électriques, mais également pour émettre des signaux électriques qui l’aident à analyser l’environnement et à communiquer avec d’autres membres de son espèce, de la même manière que les chauves-souris et les dauphins font avec les signaux acoustiques. Cependant, les signaux électriques émis par ce poisson interfèrent avec sa capacité à détecter les champs électriques de son environnement, tout comme les cris rendent difficile l’audition de quoi que ce soit d’autre.
Depuis des décennies, les scientifiques sont fascinés par un circuit spécifique dans le lobe électrosensoriel de ce poisson, qui apprend à faire des prédictions permettant au poisson de compenser les signaux interférents qu’il génère. Cet apprentissage se manifeste par le renforcement ou l’affaiblissement des connexions entre un sous-ensemble de cellules de ce circuit, un processus connu sous le nom de plasticité synaptique.
Cependant, de nombreuses questions se posaient quant à savoir pourquoi certaines cellules de ce circuit présentaient une forme de plasticité lente, tandis que d’autres présentaient une plasticité rapide. Comment ces différents types de cellules se sont-ils coordonnés pour compenser correctement le bruit ? Pourquoi différents types de plasticité existaient-ils dans ce circuit ?
Pour découvrir comment ce circuit cérébral atteint son objectif, les scientifiques ont utilisé la microscopie électronique pour créer une carte à très haute résolution du réseau formé par les cellules cérébrales au sein du lobe électrosensoriel du poisson. Ils ont découvert que le lobe électrosensoriel associe toujours des cellules à plasticité rapide avec des cellules à plasticité lente.
« Les cellules les plus rapides peuvent apprendre rapidement, mais elles sont plus vulnérables au bruit aléatoire et moins cohérent.« , a déclaré le co-auteur principal de l’étude, Salomon Muller, PhD, chercheur postdoctoral dans les laboratoires Abbott & Sawtell de l’Institut Zuckerman de Columbia. « Les cellules plus lentes contribuent à assurer la stabilité, aidant ainsi à annuler ce qui constitue en fin de compte les signaux constamment interférents.«
Dans l’ensemble, ces circuits cérébraux permettent au lobe électrosensoriel d’apprendre en permanence quelles interférences les poissons génèrent à partir de leurs propres émissions et de les filtrer rapidement.
« Tout ce qui est détecté apparaîtra et sera facilement perceptible« , a déclaré Krista Perks, PhD, co-auteure principale de l’étude, chercheuse scientifique associée au laboratoire Sawtell.
Ces résultats mettent non seulement en lumière la façon dont les cerveaux biologiques continuent d’apprendre tout au long de la vie, mais pourraient également donner des indications sur la construction de meilleurs cerveaux mécaniques. L’intelligence artificielle a souvent du mal à apprendre en continu. Lorsque les modèles d’IA apprennent de nouvelles informations, ils oublient parfois de manière catastrophique une grande partie de ce qu’ils ont appris auparavant.
« Les systèmes biologiques ont beaucoup à apprendre aux systèmes artificiels« , a déclaré Nathaniel Sawtell, PhD, co-auteur principal de l’étude, chercheur principal à l’Institut Zuckerman de Columbia et professeur de neurosciences au Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia.
