Imaginez que vous êtes un agent de sécurité dans l'un de ces films de braquage de casino où votre capacité à reconnaître un crime émergent dépendra du fait que vous ayez ou non remarqué un changement subtil sur l'un des nombreux moniteurs de sécurité disposés sur votre bureau. C'est un défi de mémoire de travail visuelle. Selon une nouvelle étude réalisée par des neuroscientifiques du Picower Institute for Learning and Memory du MIT, votre capacité à repérer rapidement l'anomalie pourrait dépendre d'une onde cérébrale de fréquence thêta (3 à 6 Hz) qui parcourt une région du cortex qui cartographie votre champ de vision.
Les résultats chez les animaux, publiés le 20 octobre dans Neurone, aider à expliquer comment le cerveau met en œuvre la mémoire de travail visuelle et pourquoi les performances sont à la fois limitées et variables. Des études antérieures menées par d'autres laboratoires ont montré que l'attention augmente et diminue également avec les ondes thêta. Et de nombreuses études menées dans le laboratoire du professeur Earl K. Miller de Picower ont soutenu la théorie selon laquelle le cerveau utilise des ondes de différentes fréquences pour effectuer les calculs analogiques nécessaires aux tâches cognitives telles que la mémoire de travail. La nouvelle étude fournit une nouvelle illustration des effets de ces ondes cérébrales sur la fonction.
Cela montre que les ondes ont un impact sur les performances lorsqu’elles traversent la surface du cortex. Cela soulève la possibilité que les ondes progressives organisent ou même effectuent des calculs neuronaux. »
Professeur Earl K. Miller, membre du corps professoral du Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT
Hio-Been Han, ancien postdoctorant au laboratoire de Miller et maintenant professeur adjoint à l'Université nationale de Séoul, a dirigé l'étude.
Une onde semblable à un radar
Dans l’étude, des animaux jouaient à un jeu vidéo dans lequel un ensemble de carrés colorés apparaissait puis disparaissait sur un écran. Après environ une seconde, le tableau réapparut avec un carré arborant une couleur différente. Les animaux devaient jeter un coup d'œil sur celui qui changeait, idéalement le plus rapidement possible. Pour comptabiliser les scores, les chercheurs ont suivi le temps de réaction et la position du regard des animaux. Ils ont également mesuré la puissance des ondes cérébrales sur un large spectre de fréquences et des « pointes » électriques neuronales individuelles dans une région appelée « champs oculaires frontaux » qui cartographie les informations visuelles de manière analogue à l’endroit où elles frappent pour la première fois la rétine (une carte dite « rétinotopique »).
Dans leur analyse post-hoc de centaines d'essais du jeu, les chercheurs ont remarqué que la précision et la vitesse des animaux s'avéraient dépendre d'une combinaison de la phase d'une onde cérébrale de fréquence thêta lorsque le carré modifié apparaissait, et de l'emplacement vertical sur l'écran de ce carré cible. En d’autres termes, chaque hauteur sur l’écran avait sa propre phase de l’onde thêta où les performances étaient à leur meilleur, et plus un carré cible apparaissait bas sur l’écran, plus la phase de l’onde corrélée avec les performances maximales était tardive.
« La phase thêta optimale pour le comportement variait selon l'emplacement de la cible rétinotopique, progressant du haut vers le bas du champ visuel », ont écrit les chercheurs dans Neurone. « Cela pourrait s'expliquer par une vague d'activité progressive à travers la surface corticale pendant le délai de mémoire. »
Cette découverte suggère que le système cérébral permettant de détecter les changements dans son champ visuel présente un certain degré de variabilité rythmique. Si la phase d’onde au moment de l’apparition du carré modifié était optimale pour l’endroit où se trouvait le carré, les performances étaient meilleures. Si ce n'était pas le cas, les performances étaient pires. Miller a déclaré que son laboratoire devra continuer à étudier le phénomène pour comprendre pourquoi il a pu évoluer ainsi. Theta est un mécanisme d'attention couramment observé lorsque les animaux doivent surveiller plus d'un endroit à la fois, a noté Miller.
Autres constatations
D'autres découvertes de l'étude s'ajoutent à la base de preuves que le laboratoire de Miller a accumulée sur la façon dont le cerveau utilise les ondes dans ses opérations et ses calculs. De nombreuses études menées par son laboratoire, par exemple, ont montré que les ondes de fréquence alpha et bêta (~ 8-25 Hz) imposent au cerveau de comprendre les règles d'une tâche et régulent le moment où des ondes de fréquence gamma plus rapides (30 Hz et plus) peuvent être utilisées pour coder les données des sens. Effectivement, dans cette étude, le laboratoire a observé que les ondes thêta semblaient orchestrer cette rivalité entre bêta et gamma. Dans la phase excitatrice des ondes thêta, la bêta était supprimée et les informations visuelles étaient évidentes dans l'activité de pointe neurale. Dans la phase d'inhibition du thêta, le pouvoir bêta était plus fort et le pic diminuait.
L’étude a également montré que l’effet de l’onde thêta sur les performances augmentait en fonction du nombre de carrés dont les animaux devaient se souvenir. Cela soulève une implication clinique potentielle, a déclaré Miller. Son laboratoire travaille au développement de systèmes de rétroaction analogique en boucle fermée capables de renforcer la puissance des ondes à différentes fréquences. Dans les troubles où la puissance thêta est trop faible, l’étude suggère que la capacité de la mémoire de travail visuelle pourrait en souffrir, mais qu’une intervention pourrait aider.
Outre Han et Miller, les autres auteurs de l'étude sont Scott Brincat, chercheur scientifique dans le laboratoire de Miller, et Timothy Buschman, professeur à l'Université de Princeton.
L'Office of Naval Research, le National Eye Institute du NIH, la National Research Foundation of Korea, l'Université nationale de Séoul, la Freedom Together Foundation et le Picower Institute for Learning and Memory ont financé la recherche.
