Des scientifiques montrent comment le cerveau réagit différemment lorsqu’il voit la même chose dans différentes conditions

“Nous avons maintenant une nouvelle compréhension du fonctionnement de la machinerie informatique du cerveau”, déclare Albright, titulaire de la chaire Conrad T. Prebys en recherche sur la vision et directeur du laboratoire du centre de vision de Salk. “Le modèle aide à expliquer comment l’état sous-jacent du cerveau peut changer, affectant l’attention, la concentration ou la capacité des gens à traiter l’information.”

Les chercheurs savent depuis longtemps que des ondes d’activité électrique existent dans le cerveau, à la fois pendant le sommeil et l’éveil. Mais les théories sous-jacentes sur la façon dont le cerveau traite l’information – en particulier l’information sensorielle, comme la vue d’une lumière ou le son d’une cloche – ont tourné autour de l’information détectée par des cellules cérébrales spécialisées, puis transférée d’un neurone à l’autre. comme un relais.

Ce modèle traditionnel du cerveau, cependant, ne pouvait pas expliquer comment une seule cellule sensorielle peut réagir si différemment à la même chose dans des conditions différentes. Une cellule, par exemple, peut s’activer en réponse à un flash de lumière rapide lorsqu’un animal est particulièrement alerte, mais restera inactive en réponse à la même lumière si l’attention de l’animal est concentrée sur autre chose.

Gepshtein compare la nouvelle compréhension à la dualité onde-particule en physique et en chimie – l’idée que la lumière et la matière ont des propriétés à la fois de particules et d’ondes. Dans certaines situations, la lumière se comporte comme si elle était une particule (également appelée photon). Dans d’autres situations, il se comporte comme s’il s’agissait d’une onde. Les particules sont confinées à un emplacement spécifique et les ondes sont réparties sur de nombreux emplacements. Les deux vues de la lumière sont nécessaires pour expliquer son comportement complexe.

“La vision traditionnelle de la fonction cérébrale décrit l’activité cérébrale comme une interaction de neurones. Étant donné que chaque neurone est confiné à un emplacement spécifique, cette vision s’apparente à la description de la lumière en tant que particule”, explique Gepshtein, directeur du Collaboratory for Adaptive Sensory de Salk. Les technologies. “Nous avons constaté que dans certaines situations, l’activité cérébrale est mieux décrite comme une interaction d’ondes, ce qui est similaire à la description de la lumière comme une onde. Les deux points de vue sont nécessaires pour comprendre le cerveau.”

Certaines propriétés des cellules sensorielles observées dans le passé n’étaient pas faciles à expliquer compte tenu de l’approche « particulaire » du cerveau. Dans la nouvelle étude, l’équipe a observé l’activité de 139 neurones dans un modèle animal pour mieux comprendre comment les cellules coordonnaient leur réponse aux informations visuelles. En collaboration avec le physicien Sergey Savel’ev de l’Université de Loughborough, ils ont créé un cadre mathématique pour interpréter l’activité des neurones et prédire de nouveaux phénomènes.

La meilleure façon d’expliquer le comportement des neurones, ont-ils découvert, était l’interaction d’ondes microscopiques d’activité plutôt que l’interaction de neurones individuels. Plutôt qu’un éclair de lumière activant des cellules sensorielles spécialisées, les chercheurs ont montré comment cela crée des schémas distribués : des vagues d’activité à travers de nombreuses cellules voisines, avec des pics et des creux d’activation alternés – comme les vagues océaniques.

Lorsque ces ondes sont générées simultanément à différents endroits du cerveau, elles se heurtent inévitablement les unes aux autres. Si deux pics d’activité se rencontrent, ils génèrent une activité encore plus élevée, tandis que si un creux de faible activité rencontre un pic, il peut l’annuler. Ce processus est appelé interférence des ondes.

“Lorsque vous êtes dans le monde, il y a beaucoup, beaucoup d’entrées et donc toutes ces ondes différentes sont générées”, explique Albright. “La réponse nette du cerveau au monde qui vous entoure est liée à la façon dont toutes ces ondes interagissent.”

Pour tester leur modèle mathématique de la façon dont les ondes neuronales se produisent dans le cerveau, l’équipe a conçu une expérience visuelle d’accompagnement. Deux personnes ont été invitées à détecter une fine ligne faible (“sonde”) située sur un écran et flanquée d’autres motifs lumineux. Selon les chercheurs, la qualité de l’exécution de cette tâche dépendait de l’endroit où se trouvait la sonde. La capacité à détecter la sonde était élevée à certains endroits et diminuée à d’autres, formant une onde spatiale prédite par le modèle.

“Votre capacité à voir cette sonde à chaque endroit dépendra de la façon dont les ondes neuronales se superposent à cet endroit”, explique Gepshtein, qui est également membre du Centre de Salk pour la neurobiologie de la vision. “Et nous avons maintenant proposé comment le cerveau gère cela.”

La découverte de la façon dont les ondes neuronales interagissent va bien au-delà de l’explication de cette illusion d’optique. Les chercheurs émettent l’hypothèse que les mêmes types d’ondes sont générées – et interagissent les unes avec les autres – dans chaque partie du cortex cérébral, et pas seulement dans la partie responsable de l’analyse des informations visuelles. Cela signifie que les ondes générées par le cerveau lui-même, par des signaux subtils de l’environnement ou des humeurs internes, peuvent modifier les ondes générées par les entrées sensorielles.

Cela peut expliquer comment la réponse du cerveau à quelque chose peut changer d’un jour à l’autre, disent les chercheurs.

Les autres co-auteurs de l’article incluent Ambarish Pawar de Salk et Sunwoo Kwon de l’Université de Californie à Berkeley.

Les travaux ont été soutenus en partie par le Salk Institute’s Sloan-Swartz Center for Theoretical Neurobiology, le Kavli Institute for Brain and Mind, la Fondation Conrad T. Prebys, les National Institutes of Health (R01-EY018613, R01-EY029117) et l’Ingénierie et Conseil de recherche en sciences physiques (EP/S032843/1).