A cognitive representation in primary visual cortex modulated by vision
Cette étude démontre que chez les rats naviguant dans l'obscurité, une partie significative des neurones du cortex visuel primaire (V1) encode des cartes cognitives de mouvement invariantes par rapport au chemin plutôt que des entrées visuelles, la vision modulant par la suite cette représentation interne plutôt que de la remplacer.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Pendant des décennies, l'histoire classique de la façon dont nous voyons a été celle d'un simple relais. La lumière frappe l'œil, voyage jusqu'à l'arrière du cerveau et déclenche une réaction en chaîne dans le cortex visuel primaire, une région connue sous le nom de V1. Dans cette vision classique, V1 est un écran passif, un projecteur biologique qui affiche simplement ce que les yeux regardent. Si les yeux voient un arbre, V1 s'illumine avec la forme d'un arbre ; si les yeux voient un mur, V1 montre un mur. Le rôle du cerveau était considéré comme étant principalement de réagir au monde extérieur, les pensées internes ou les souvenirs ne jouant qu'un rôle mineur et secondaire. Mais ce tableau simplifié omet une partie cruciale de la manière dont les animaux, y compris les humains, naviguent réellement dans leur vie. Nous ne nous contentons pas de réagir à ce qui se trouve devant nous ; nous menons constamment une simulation mentale de là où nous sommes, de là où nous avons été et de là où nous allons. La question qui a longtemps intrigué les scientifiques est de savoir si cette carte interne existe uniquement dans les centres de la mémoire profonde du cerveau, ou si la toute première étape de la vision est également impliquée dans l'exécution de cette carte.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à San Francisco et de l'Université de Rochester a décidé de tester cette idée en observant le cerveau de rats alors qu'ils naviguaient dans un labyrinthe. Ils se sont concentrés sur le cortex visuel primaire, la partie du cerveau qui ne fait habituellement que traiter ce que les yeux voient. Pour voir ce qui se passe lorsque les yeux n'ont rien à voir, ils ont entraîné des rats à parcourir un chemin spécifique dans l'obscurité totale. Les rats devaient apprendre un labyrinthe en forme de W, partant d'un point central vers l'un des deux bras extérieurs, puis revenant, en alternant leurs trajets à chaque passage. Une fois que les rats ont maîtrisé le parcours, les chercheurs ont enregistré l'activité de milliers de neurones dans le cortex visuel pendant que les animaux parcouraient le labyrinthe dans le noir.
Les résultats ont été une surprise totale par rapport à la vision traditionnelle. Même si les rats étaient dans l'obscurité totale et ne pouvaient rien voir, une grande majorité des neurones de leur cortex visuel s'activaient de manière hautement organisée. Ces neurones n'étaient pas simplement actifs de manière aléatoire ; ils suivaient la progression du rat le long du chemin. À mesure que le rat avançait, des groupes spécifiques de neurones s'allumaient selon une séquence correspondant à la position de l'animal. Plus remarquable encore, cette activité n'était pas liée à un emplacement physique spécifique dans la pièce. Au lieu de cela, les neurones répondaient à la structure du chemin. Si le rat tournait à gauche, un ensemble spécifique de neurones s'activait au même point du virage, que le rat soit sur le côté gauche ou le côté droit du labyrinthe. Le cerveau avait créé une représentation mentale du voyage lui-même, indépendamment de tout apport visuel.
Les chercheurs ont ensuite rallumé les lumières pour voir comment cette carte interne interagissait avec la vision réelle. Ils ont placé des motifs visuels, comme des points ou des rayures, sur les parois du labyrinthe. Lorsque les rats parcouraient le labyrinthe avec ces lumières allumées, le cortex visuel ne se contentait pas de montrer les motifs sur les murs. Au lieu de cela, la carte interne du chemin restait le signal dominant. Les stimuli visuels agissaient comme un bouton de volume, augmentant ou diminuant l'activité des neurones de suivi du chemin en fonction de ce que le rat voyait, mais ils ne remplaçaient pas la carte. Le cerveau exécutait toujours son modèle interne du voyage, et l'apport visuel ne faisait qu'ajuster l'intensité de ce modèle. Cela suggère que pour une grande partie du cortex visuel, la représentation interne du monde est le moteur principal de l'activité, la vision servant de modulateur plutôt que de source unique d'information.
Pour confirmer que cette activité de suivi de trajectoire était véritablement liée aux systèmes de mémoire du cerveau, les chercheurs ont également enregistré l'activité de l'hippocampe, une région profonde du cerveau célèbre pour stocker les cartes spatiales et les souvenirs. Ils ont recherché des moments d'activité cérébrale intense appelés ondulations d'ondes aiguës (sharp-wave ripples), qui se produisent lorsque l'animal se repose ou est immobile et qui sont connues pour être impliquées dans la consolidation de la mémoire. Ils ont découvert que les neurones spécifiques du cortex visuel qui suivaient le chemin dans le noir étaient étroitement synchronisés avec l'hippocampe pendant ces ondulations. Cette coordination suggère que le cortex visuel et le centre de la mémoire travaillent ensemble comme une équipe, partageant le même modèle interne du monde même lorsque l'animal ne bouge pas.
Ces découvertes remettent en question la croyance de longue date selon laquelle le cortex visuel n'est qu'un récepteur passif de la lumière. Au contraire, l'étude montre que cette partie du cerveau construit activement une représentation cognitive de la progression de l'animal à travers une tâche. Le cortex visuel ne se contente pas d'attendre que les yeux envoient une image ; il détient une simulation continue du voyage, qui est ensuite affinée par ce que les yeux voient réellement. Cette découverte implique que notre perception du monde est construite sur un fond d'attentes internes et de souvenirs, l'apport sensoriel jouant un rôle de soutien pour affiner cette image. Cela change notre compréhension du fonctionnement du cerveau, suggérant que même les zones sensorielles les plus basiques sont profondément impliquées dans la tâche cognitive complexe de la navigation dans la vie.
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