De la lumière à la perspicacité : des chercheurs de Columbia éclairent les mystères de la perception visuelle

Une étude sur les mouches des fruits révèle des circuits de cellules cérébrales qui pourraient expliquer la façon dont les créatures, grandes et petites, perçoivent les longueurs d'onde de la lumière comme des teintes riches en informations.

Percevoir quelque chose – n’importe quoi – dans votre environnement signifie prendre conscience de ce que vos sens détectent. Aujourd'hui, pour la première fois, Université de Colombie Les neuroscientifiques identifient des circuits de cellules cérébrales chez les mouches des fruits qui convertissent les signaux sensoriels bruts en perceptions de couleurs pouvant guider le comportement.

Leurs conclusions sont publiées aujourd'hui (16 mai) dans la revue Neurosciences naturelles.

« Beaucoup d'entre nous tiennent pour acquis les riches couleurs que nous voyons chaque jour – le rouge d'une fraise mûre ou le brun foncé des yeux d'un enfant. Mais ces couleurs n'existent pas en dehors de notre cerveau », a déclaré Rudy Behnia, PhD, chercheur principal à l'Institut Zuckerman de Columbia et auteur correspondant de l'article. Selon elle, les couleurs sont plutôt des perceptions que le cerveau construit lorsqu'il donne un sens aux longueurs d'onde de lumière plus longues et plus courtes détectées par les yeux.

La complexité de la perception

« Transformer les signaux sensoriels en perceptions du monde est la façon dont le cerveau aide les organismes à survivre et à prospérer », a déclaré le Dr Behnia.

« Se demander comment nous percevons le monde semble être une question simple, mais y répondre est un défi », a ajouté le Dr Behnia. « J'espère que nos efforts pour découvrir les principes neuronaux qui sous-tendent la perception des couleurs nous aideront à mieux comprendre comment le cerveau extrait les caractéristiques. dans l’environnement qui sont importants pour survivre chaque jour.

Découvertes dans les réseaux neuronaux de mouches des fruits

Dans leur nouvel article, l’équipe de recherche rapporte avoir découvert des réseaux spécifiques de neurones, un type de cellule cérébrale, chez les mouches des fruits qui répondent sélectivement à diverses teintes. La teinte désigne les couleurs perçues associées à des longueurs d'onde spécifiques ou à des combinaisons de longueurs d'onde de lumière, qui elles-mêmes ne sont pas intrinsèquement colorées. Ces neurones sélectifs de teinte se trouvent dans le lobe optique, la zone cérébrale responsable de la vision.

Parmi les teintes auxquelles ces neurones réagissent, il y a celles que les gens percevraient comme violettes et d'autres qui correspondent aux longueurs d'onde ultraviolettes (non détectables par les humains). La détection des teintes UV est importante pour la survie de certaines créatures, comme les abeilles et peut-être les mouches des fruits ; de nombreuses plantes, par exemple, possèdent des motifs ultraviolets qui peuvent aider à guider les insectes vers le pollen.

Avancées de la recherche neuroscientifique

Les scientifiques avaient déjà signalé avoir découvert des neurones dans le cerveau des animaux qui réagissaient sélectivement à différentes couleurs ou teintes, par exemple le rouge ou le vert. Mais personne n’avait pu retracer les mécanismes neuronaux rendant possible cette sélectivité de teinte.

C’est là que la récente disponibilité d’un connectome mouche-cerveau s’est avérée utile. Cette carte complexe détaille comment quelque 130 000 neurones et 50 millions de synapses dans le cerveau d'une mouche des fruits, de la taille d'une graine de pavot, sont interconnectés, a déclaré le Dr Behnia, qui est également professeur adjoint de neurosciences au Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia.

Modèles mathématiques et circuits neuronaux

Avec le connectome servant de référence – semblable à une image sur une boîte de puzzle servant de guide pour la façon dont mille pièces s’assemblent – ​​les chercheurs ont utilisé leurs observations de cellules cérébrales pour développer un diagramme qu’ils soupçonnaient de représenter le circuit neuronal derrière la sélectivité des teintes. Les scientifiques ont ensuite présenté ces circuits comme des modèles mathématiques permettant de simuler et de sonder les activités et les capacités des circuits.

« Les modèles mathématiques servent d'outils qui nous permettent de mieux comprendre quelque chose d'aussi compliqué et complexe que toutes ces cellules cérébrales et leurs interconnexions », a déclaré Matthias Christenson, PhD, co-premier auteur de l'article et ancien membre du Dr. Le laboratoire de Behnia. « Grâce aux modèles, nous pouvons travailler à donner un sens à toute cette complexité. » Le Dr Larry Abbott, professeur William Bloor de neurosciences théoriques, professeur de physiologie et de biophysique cellulaire et chercheur principal à l'Institut Zuckerman, a également contribué de manière cruciale aux travaux de modélisation.

Le rôle de la récurrence dans la perception des couleurs

Non seulement la modélisation a révélé que ces circuits peuvent héberger l’activité nécessaire à la sélectivité des teintes, mais elle a également mis en évidence un type d’interconnectivité de cellule à cellule, connu sous le nom de récurrence, sans lequel la sélectivité des teintes ne peut se produire. Dans un circuit neuronal à récurrence, les sorties du circuit reviennent pour devenir des entrées. Et cela suggère encore une autre expérience, a déclaré Álvaro Sanz-Diez, PhD, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du Dr Behnia et autre co-premier auteur de l'étude. Neurosciences naturelles papier.

« Lorsque nous avons utilisé une technique génétique pour perturber une partie de cette connectivité récurrente dans le cerveau des mouches des fruits, les neurones qui montraient auparavant une activité sélective de teinte ont perdu cette propriété », a déclaré le Dr Sanz-Diez. « Cela a renforcé notre confiance dans le fait que nous avions réellement découvert les circuits cérébraux impliqués dans la perception des couleurs. »

Conclusion et implications futures

« Nous en savons maintenant un peu plus sur la façon dont le câblage cérébral permet de construire une représentation perceptuelle de la couleur », a déclaré le Dr Behnia. « J'espère que nos nouvelles découvertes pourront aider à expliquer comment le cerveau produit toutes sortes de perceptions, parmi lesquelles la couleur, le son et le goût. »

La liste complète des auteurs comprend Matthias Christenson, Álvaro Sanz-Díez, Sarah L. Heath, Maia Saavedra-Weisenhaus, Atsuko Adachi, Aljoscha Nern, Laurence F. Abbott et Rudy Behnia.