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Le cinéma dans l’esprit : les neurosciences derrière « l’illusion de continuité »

SciTechDaily

Grâce à une nouvelle combinaison d’IRMf, d’expériences comportementales et d’électrophysiologie, les chercheurs mettent en évidence le rôle du cerveau dans la transition de la perception des éclairs individuels au mouvement fluide, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur la perception visuelle et les applications cliniques potentielles. Crédit : Issues.fr.com

De nouvelles recherches sur l’illusion de continuité révèlent comment le cerveau perçoit les mouvements fluides, soulignant l’importance du colliculus supérieur et suggérant de nouvelles approches pour la recherche en neurosciences et la pratique clinique.

Une étude menée par une équipe de la Fondation Champalimaud (CF) a jeté un nouvel éclairage sur le colliculus supérieur (SC), une structure cérébrale profonde souvent éclipsée par son voisin cortical plus proéminent. Leur découverte révèle comment le SC peut jouer un rôle central dans la façon dont les animaux perçoivent le monde en mouvement et met en lumière « l’illusion de continuité », un processus perceptuel essentiel faisant partie intégrante de nombreuses de nos activités quotidiennes, de la conduite de véhicules au visionnage de films.

Comprendre l’illusion de continuité

Imaginez que vous regardez un film. Les images animées que vous voyez sont en réalité une série d’images statiques affichées rapidement. Il s’agit de l’illusion de continuité au travail, où notre cerveau perçoit une séquence de flashs rapides comme un mouvement continu et fluide. Il s’agit d’un phénomène non seulement vital pour notre plaisir de regarder des films, mais également d’un aspect fondamental de la façon dont tous les mammifères, des humains aux rats, perçoivent le monde dynamique qui les entoure. Cette étude du Shemesh Lab des FC, publiée aujourd’hui (12 février) dans Communications naturellesexplore comment cette illusion est codée dans le cerveau.

La science de la perception

La vitesse à laquelle les flashs doivent se produire pour que notre cerveau les considère comme constants plutôt que scintillants est connue sous le nom de seuil de fréquence de fusion de scintillement (FFF). Ce seuil varie selon les animaux ; par exemple, les oiseaux, qui ont besoin de voir des mouvements rapides, ont un seuil plus élevé que les humains, ce qui signifie qu’ils peuvent toujours percevoir la lumière comme vacillante plutôt que continue, même lorsqu’elle clignote très rapidement. Le seuil FFF est également important dans la nature, par exemple dans les interactions prédateur-proie, et peut être affecté par certaines maladies comme les troubles hépatiques ou les affections oculaires comme la cataracte.

Il est intéressant de noter que différentes méthodes de mesure de ce seuil, comme l’observation du comportement animal ou l’enregistrement de l’activité électrique dans les yeux ou dans le cortex (la couche externe du cerveau qui traite ce que nous voyons), peuvent donner des résultats différents. Cela suggère que d’autres parties du cerveau jouent également un rôle dans la façon dont nous percevons la lumière vacillante.

Dans cette étude, les chercheurs ont combiné l’IRM fonctionnelle (IRMf) des scanners cérébraux, des expériences comportementales et des enregistrements électriques de l’activité cérébrale pour comprendre le fonctionnement de ce processus. Leurs découvertes indiquent que le SC est vital dans la transition de la vision de flashs individuels à un mouvement fluide, et qu’il peut être un élément clé dans la création de l’illusion de continuité.

Une attaque à trois volets

« Ce projet était en réalité une initiative de base et a commencé par une conversation entre deux doctorants de CF », note Noam Shemesh, auteur principal de l’étude. « Rita Gil, une étudiante de mon laboratoire, explorait les réponses du cerveau du rat à différentes fréquences lumineuses grâce à l’IRM. Ses discussions avec Mafalda Valente, dans le laboratoire d’Alfonso Renart, ont conduit au développement d’une tâche comportementale dans laquelle des rats étaient entraînés à distinguer les éclairs de la lumière continue.

À l’aide de l’IRM et de données comportementales, ils ont également enregistré l’activité électrique du cerveau lors d’une stimulation lumineuse. Cette approche leur a permis de mesurer et de comparer les seuils FFF à l’aide de trois méthodes distinctes : l’IRM, les expériences comportementales et l’électrophysiologie. Cette approche multimodale est assez rare et c’est vraiment ce qui distingue cette étude. Nous remercions également Alfonso Renart pour les discussions intéressantes qui ont contribué à cette recherche.

Relier les données comportementales et biologiques

Pour les expériences IRMf, des rats ont reçu des stimuli visuels à des fréquences allant de faible à élevée. Pour minimiser les mouvements et garantir une imagerie cérébrale stable, les animaux ont été légèrement endormis.

« L’IRMf est une technique non invasive qui suit les changements dans le flux sanguin, qui sont révélateurs de l’activité neuronale dans le cerveau », explique Gil. « L’un des avantages de l’IRMf est sa capacité à cartographier l’activité cérébrale tout au long de la voie visuelle, capturant simultanément l’activité de plusieurs régions. »

L’objectif était d’observer comment le cerveau passe de la perception d’éclairs lumineux individuels (vision statique) à un flux continu de lumière (vision dynamique), et d’identifier les régions cérébrales impliquées.

« Lorsque nous avons examiné le SC », explique Gil, « nous avons trouvé des réponses nettement différentes en fonction de la fréquence des stimuli visuels. À mesure que la fréquence du stimulus visuel augmentait, évoluant vers une perception continue de la lumière, la réponse du SC passait des régimes de signaux IRMf positifs aux régimes négatifs.

Les signaux positifs reflètent une activité neuronale accrue, tandis que les signaux négatifs signifient potentiellement le contraire. Sur la base de ces observations, une hypothèse a commencé à se former : le passage de la vision statique à la vision dynamique dans l’illusion de continuité pourrait-il impliquer la suppression de l’activité dans le SC ?

Pour répondre à cette question, ils se sont ensuite tournés vers des expériences comportementales. Les rats ont été entraînés dans une boîte spécialement conçue, où ils ont appris à se diriger vers un port latéral s’ils percevaient la lumière comme vacillante, et vers l’autre s’ils la percevaient comme continue. Les bons choix étaient récompensés par de l’eau pour renforcer l’apprentissage. En faisant varier les fréquences lumineuses affichées, l’équipe a enregistré à quel moment les rats percevaient la lumière vacillante comme continue.

Lorsqu’ils ont comparé les données comportementales avec les données de l’IRMf, ils ont fait une découverte surprenante : le changement de signaux IRMf positifs à négatifs dans le SC à certaines fréquences correspondait aux fréquences auxquelles les rats percevaient comportementalement le passage du scintillement à la lumière continue.

Étant donné que le SC a montré la plus forte corrélation entre le comportement et les données IRMf par rapport à d’autres zones du cerveau, les chercheurs l’ont ciblé pour des enregistrements électrophysiologiques, mesurant directement l’activité électrique de ses neurones. Ils ont utilisé une sédation légère pour maintenir la cohérence avec les conditions de l’IRMf. Leur objectif était de mieux comprendre les mécanismes neuronaux spécifiques impliqués lorsque les rats perçoivent une lumière scintille par rapport à une lumière continue. Les signaux positifs et négatifs détectés en IRMf correspondaient-ils respectivement à une activité neuronale et à une suppression, comme ils l’avaient supposé ?

Aux basses fréquences lumineuses où les rats discernaient des éclairs individuels, les chercheurs ont observé une activité neuronale accrue correspondant à chaque éclair. Aux fréquences plus élevées perçues comme une lumière continue, les réponses neuronales à ces flashs individuels ont diminué et, au lieu de cela, il y avait des réponses plus prononcées au début et à la fin de la stimulation lumineuse. Notamment, il y avait une suppression marquée de l’activité neuronale entre ces pics initiaux (début) et finaux (décalage).

Valente note : « Nos mesures de l’activité électrique dans le SC se sont bien alignées avec nos données IRMf, qui ont montré des pics d’apparition et de décalage entourant les signaux négatifs à des fréquences plus élevées. Ces enregistrements électrophysiologiques soutiennent l’idée selon laquelle les signaux positifs et négatifs enregistrés en IRMf représentent effectivement respectivement l’activité neuronale et la suppression. Il semble que cette suppression se produise lorsque les animaux entrent dans un état de vision dynamique, contribuant potentiellement à la fusion du scintillement et à l’illusion de continuité.

En réfléchissant à l’étude, Valente partage : « Ce qui nous a vraiment surpris, c’est à quel point les signaux IRMf du SC correspondaient aux données comportementales, encore plus que ceux du cortex, qui est généralement considéré comme la principale zone de traitement visuel chez les mammifères. Tout aussi frappant était de retrouver les mêmes schémas dans le SC même après avoir intentionnellement désactivé le cortex, ce qui suggère que ces signaux proviennent du SC lui-même et ne sont pas simplement le résultat de l’activité du cortex.

Gil poursuit : « Cela souligne le rôle du SC en tant que détecteur de nouveauté. Par exemple, à des fréquences lumineuses plus basses, chaque flash semble être traité comme un nouvel événement par le SC. Mais à mesure que la fréquence augmente au-delà d’un certain point, le SC semble décider que le stimulus n’est plus nouveau ou remarquable, ce qui entraîne une réduction de l’activité. Cela pourrait expliquer le schéma d’activité accrue au début et à la fin de la stimulation à haute fréquence, avec des périodes de suppression entre les deux. »

Implications et orientations futures

« Nos résultats fournissent une feuille de route sur la manière dont les expériences en neurosciences pourraient être menées à l’avenir », conclut Shemesh. « En utilisant initialement l’IRMf pour présenter des stimuli, les chercheurs peuvent identifier efficacement les régions du cerveau sur lesquelles se concentrer pour des études électrophysiologiques plus détaillées. Cette approche permet non seulement d’économiser du temps et des ressources, mais capitalise également sur la force de l’IRMf pour refléter l’activité de la population des régions du cerveau. Bien qu’elle n’offre pas les détails granulaires de l’activité unicellulaire, la capacité de l’IRMf à montrer une vue d’ensemble – s’il y a plus d’activation ou de suppression cérébrale – en fait une première étape précieuse pour guider les expériences ultérieures.

Les auteurs estiment que leurs résultats sont pertinents pour les applications cliniques. Dans le cas de personnes souffrant de déficiences visuelles, de maladies du nerf optique ou de maladies telles que l’autisme et les accidents vasculaires cérébraux, cette étude offre de nouvelles pistes pour l’évaluation et le traitement potentiel des dysfonctionnements visuels. En déterminant et en comparant les seuils FFF chez ces individus avec ceux de populations saines, et en observant l’évolution de ces seuils, il pourrait être possible d’évaluer l’adaptabilité de régions spécifiques du cerveau. Cela pourrait permettre de comprendre quelles zones du cerveau restent susceptibles d’être traitées, ouvrant ainsi la voie au développement d’interventions thérapeutiques ciblées.

Pour l’avenir, les chercheurs visent à identifier quels types de cellules spécifiques du SC sont responsables des activités qu’ils ont observées. Leur objectif plus large est d’approfondir notre compréhension des rôles de diverses régions du cerveau dans la voie visuelle, en combinant des techniques expérimentales telles que des lésions ciblées ou la privation visuelle avec des études IRM.

Ces stratégies promettent de fournir un aperçu plus approfondi de l’adaptabilité et de la fonction des régions visuelles, en affinant notre modèle actuel sur la manière dont chaque zone contribue à la perception visuelle. Ainsi, la prochaine fois que vous regarderez un film et ressentirez l’illusion d’un mouvement fluide résultant d’une succession rapide d’images, pensez aux processus complexes en jeu dans votre cerveau et aux efforts de recherche en cours pour les démêler.

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