La structure cachée des connexions de rétroaction dans le cerveau
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Une étude propose des explications sur ce qu’on appelle des connexions de rétroaction dans le cerveau. Ils semblent importants pour la perception visuelle, mais également sur l’observation du monde selon un certain contexte. Ces travaux théoriques peuvent aider à développer de meilleurs algorithmes pour la vision.
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Pendant des décennies, la communauté des neurosciences a été déconcertée par l’existence de connexions denses dans le cerveau qui semblent aller à reculons. Ces connexions, qui s’étendent largement à travers les zones éloignées du néocortex, la partie du cerveau responsable des fonctions cognitives supérieures, transmettent clairement des informations importantes. Mais jusqu’à présent, l’organisation des connexions et donc leur rôle possible était largement inconnue.
Sommaire
Le traitement visuel par le cerveau
Dans une étude publiée dans la revue Nature Neuroscience, des scientifiques du Champalimaud Centre for the Unknown à Lisbonne révèlent, pour la première fois, que ces connexions forment une carte de l’espace visuel et fournissent des idées importantes sur la façon dont ils peuvent être impliqués dans la perception visuelle.1 Notre compréhension actuelle du système visuel suggère un modèle hiérarchique selon Leopoldo Petreanu, le principal chercheur de l’étude. Selon ce modèle, les structures inférieures reçoivent une image provenant des yeux, qui sont ensuite traités et relayés vers les structures supérieures du néocortex pour l’extraction des principales caractéristiques telles que les contours, les objets et ainsi de suite.
Cela aurait pu être un excellent modèle selon Petreanu s’il n’y avait pas ce problème des connexions de rétroaction. Il y autant de connexions qui font l’inverse, c’est à dire qu’ils vont des zones élevées vers les zones plus basses et on les connait comme des connexions de rétroaction et leur rôle était un mystère depuis plusieurs années.
Les connexions de rétroaction
Des études antérieures, qui ont tenté d’élucider la nature de ces connexions, ont augmenté la confusion. Les connexions de rétroaction sont très désordonnées selon Petreanu. Sous le microscope, elles ressemblent à un large maillage de fils entrelacés comme un bol de spaghettis et pour aggraver les choses, les fils entremêlés encodent une variété de signaux différents. On ignorait s’il y avait de l’ordre dans cette pagaille.
De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer le rôle de ces connexions de rétroaction dans la cognition incluant l’attention, l’attente et la sensibilisation. Mais il était impossible de déterminer laquelle des hypothèses était vraie puisque la carte de connexions était inconnue. Pour résoudre le mystère, Petreanu, Tiago Marques et Julia Nguyen, premiers co-auteurs de l’étude, ont utilisé une méthode qui a été développée par Petreanu il y a quelques années. Avec cette méthode, les chercheurs ont mesuré l’activité dans les points de connexion réels entre les structures supérieures et inférieures.
Une carte des connexions de rétroaction dans le cerveau – Crédit : Marques et al.
Cette méthode nous a fourni un nouvel aperçu sur la façon dont les connexions de rétroaction sont organisées et comment cette organisation pourrait façonner la perception visuelle selon Marques. Cachés dans l’enchevêtrement de fils, nous avons découvert qu’il y a une belle organisation où les connexions de rétroaction ciblent des neurones spécifiques dans des structures inférieures en fonction des signaux qu’ils transportent.
Mais quelle est exactement cette organisation et quel pourrait être son rôle dans la perception visuelle ? Petreanu et Marques ont découvert plusieurs idées qui éclairent ce mystère.
L’image globale avec les connexions de rétroaction
Leur première idée était de déterminer si les connexions suivent un modèle particulier. Dans de nombreuses structures distinctes du système visuel, en commençant par l’oeil lui-même, les neurones voisins codent les zones voisines de l’espace visuel ce qui explique que les structures individuelles contiennent une carte de l’image presque un à un.
Cette carte existe dans le cortex visuel primaire (appelé aussi V1), qui est le point d’entrée de l’information visuelle au néocortex. Ce fut le point de départ des chercheurs. Ils se sont demandé : les connexions de retour correspondent-elles à la carte visuelle encodée en V1 ? La réponse que nous avons trouvée était oui et non… selon Marques. La majorité des entrées de rétroaction formaient la même carte spatiale que les zones auxquelles elles se connectaient dans V1, c’est-à-dire que les cartes V1 et les cartes de rétroaction se superposaient, une observation déjà signalée chez d’autres espèces telles que les primates. Nous n’avons pas été surpris.
Mais nous avons aussi observé quelque chose de nouveau chez la souris selon M. Marques. Les connexions de rétroaction ont également encodé des informations à partir d’autres emplacements dans l’espace visuel. Nous avons utilisé une nouvelle technique et il est probable qu’on pourrait le trouver dans d’autres espèces.
Cette découverte suggère que les signaux de rétroaction envoyés à partir des zones corticales supérieures sont utilisés pour fournir des structures inférieures avec le contexte. Selon la structure hiérarchique du système visuel, les structures inférieures n’auraient accès qu’à des informations locales de bas niveau selon Marc Marques. Les connexions de rétroaction leur donnent l’image globale. De cette façon, l’activité des neurones dans les structures inférieures peut être modifiée en fonction du contexte actuel.
Ce type d’information contextuelle est très important pour la perception visuelle. Par exemple, une forme ronde verte vue à distance serait facilement identifiée comme une balle de tennis vu dans le contexte d’un court de tennis ou comme une pomme si on la voit dans le contexte d’un bol de fruits.
Le contrôle du regard par le cerveau
Cette première découverte a motivé les chercheurs à se pencher encore plus sur les autres types d’informations que les connexions de rétroaction pourraient envoyer à V1. Cette fois, ils se sont demandé si ces connexions pourraient aider les neurones V1 à trouver des objets. Le monde est constitué d’objets explique Petreanu. Le téléphone dans votre main, les voitures sur la route, ce sont tous des objets qui sont définis par des lignes continues. Par conséquent, il n’est pas surprenant que les neurones dans le système visuel se soucient beaucoup de ces lignes.
Comment les connexions de rétroaction pourraient-elles accentuer les lignes qui composent les objets ? Il y a deux possibilités : ils peuvent soit amplifier l’activité dans V1 où se trouvent les lignes, soit amortir l’activité là où ils ne se trouvent pas.
Nous avons constaté que la deuxième option est la plus susceptible d’être vraie selon Petreanu. Les connexions de rétroaction étaient abondantes dans V1 dans les zones en dehors des lignes. Nous supposons donc que cette organisation désactive probablement les neurones dans les zones qui se trouvent en dehors de la ligne et ainsi renforcer le contraste entre les objets et leur environnement.
Ensuite, les chercheurs se sont demandé si les connexions de rétroaction pourraient participer à la détection de mouvement. À leur grande surprise, ils ont constaté non seulement qu’ils le faisaient, mais qu’ils utilisaient la même stratégie pour le faire. Cette fois, la fonctionnalité visuelle était différente, mais les connexions de rétroaction ont joué le même rôle selon Marques. Nous avons observé que les connexions de rétroaction, qui répondent aux objets en mouvement, ont été enrichies en V1 dans les régions opposées à la direction du mouvement.
Ensemble, ces résultats suggèrent quelque chose ressemblant à un rôle clairvoyant pour ces connexions de rétroaction. Comment savent-ils quels neurones devraient être actifs à un moment donné dans le temps ? Nous croyons que ces résultats impliquent que cet ensemble de connexions de rétroaction apprend par l’expérience sur l’observation du monde et ensuite, il utilise cette connaissance pour façonner l’information visuelle entrante selon Petreanu. Dans le monde, les objets sont définis par des lignes continues et des points épars et les objets en mouvement ont tendance à maintenir leur trajectoire, à ne pas se déplacer de façon aléatoire ce qui a pour effet d’accentuer ces caractéristiques particulières qu’ils ont appris à anticiper en pointant vers des emplacements opposés à ceux qui sont attendus.
De la vision biologique à la vision artificielle
Les résultats de Petreanu et Marques fournissent une pièce importante du puzzle de la façon dont le néocortex est organisé et suggèrent comment la perception visuelle pourrait être générée dans le cerveau. Selon Petreanu, ces résultats contribuent non seulement à notre compréhension de la biologie, mais pourraient également avoir des implications dans le domaine de la vision artificielle.
La relation entre la vision artificielle et la neuroscience a toujours été étroite selon Petreanu. Notre connaissance de l’organisation des circuits du cerveau, en particulier du néocortex, a inspiré des algorithmes de plus en plus performants pour la vision.
Selon Petreanu, même si les algorithmes actuels de vision artificielle sont assez bons, ils ne peuvent pas encore égaler les performances des humains. Parallèlement à la compréhension des neuroscientifiques, les algorithmes modernes de vision artificielle n’utilisent généralement pas de liens de rétroaction et nos découvertes pourraient inspirer de nouveaux algorithmes qui tireront profit de ces connexions.
