A Relational Code for Objects in Primate Frontal Cortex

Lorsque nous jetons un regard sur un bureau encombré, notre cerveau ne se contente pas de répertorier une liste d'objets isolés. Il saisit instantanément la scène dans sa globalité : un mug posé à gauche d'un ordinateur portable, une lampe surplombant ces derniers. Cette capacité à comprendre comment les objets se rapportent les uns aux autres dans l'espace est fondamentale pour notre façon de naviguer dans le monde, pourtant, pendant des décennies, les neuroscientifiques ont lutté pour localiser précisément où et comment le cerveau construit ces relations. Une grande partie de ce que nous savons des cartes spatiales du cerveau provient de l'étude de la manière dont des neurones individuels suivent la localisation d'un objet unique par rapport à notre regard. Ces neurones agissent comme des boussoles internes, s'activant lorsqu'un objet spécifique apparaît à un endroit précis de notre vision. Cependant, cette vision de « l'objet unique » laisse une lacune. Elle n'explique pas comment le cerveau maintient l'agencement de plusieurs objets simultanément, ni comment il comprend qu'un objet est positionné par rapport à un autre, quel que soit l'endroit où nous regardons.

Pour combler cette lacune, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology a porté son attention sur les champs oculaires frontaux, deux petites régions du cerveau du singe connues pour contrôler les mouvements oculaires et maintenir l'attention spatiale. Ils ont posé une question simple mais profonde : les neurones de ces zones se contentent-ils de suivre l'emplacement d'objets individuels, ou encodent-ils également la relation entre les objets ? Pour le découvrir, ils ont entraîné deux macaques rhésus à effectuer une tâche de mémoire impliquant un ou deux objets. À chaque essai, les singes devaient regarder un écran où des images de fruits apparaissaient sur un anneau autour d'un point central. Après une brève pause, un signal leur indiquait quel objet mémoriser, et ils devaient regarder cet emplacement mémorisé pour recevoir une récompense. Les chercheurs ont enregistré l'activité électrique de centaines de neurones dans le cerveau des singes pendant qu'ils effectuaient cette tâche, cherchant des motifs dans la façon dont les cellules répondaient au changement de position des objets.

Les résultats ont révélé un code surprenant et sophistiqué. Si certains neurones se comportaient comme prévu, ne s'activant que lorsqu'un objet spécifique apparaissait à un endroit fixe sur l'écran, la majorité des cellules enregistrées fonctionnaient différemment. Ces neurones ne se souciaient pas de la localisation absolue d'un objet unique. Au lieu de cela, ils s'activaient lorsque deux objets apparaissaient dans un agencement spécifique l'un par rapport à l'autre. Par exemple, un neurone pouvait s'activer fortement chaque fois que deux objets étaient alignés verticalement, que cette ligne verticale soit à gauche, à droite ou au centre de l'écran. Les chercheurs ont découvert que ces neurones « relationnels » n'étaient pas une classe distincte et uniforme, mais plutôt une partie d'un spectre allant du suivi de la localisation pure au relationnel pur. Au sein de ce continuum, la plupart des unités étaient mieux expliquées par un réglage relationnel que par un réglage rétinotopique, indiquant que le cerveau ne stockait pas seulement une liste de coordonnées ; il représentait activement la géométrie de la scène, encodant l'orientation de la ligne reliant les objets.

Cette découverte remet en question la vision de longue date selon laquelle les cartes spatiales du cerveau seraient construites uniquement à partir de coordonnées indépendantes centrées sur l'œil. L'étude a montré que la représentation de l'espace par le cerveau est un mélange de deux systèmes complémentaires. Un système suit l'emplacement des objets individuels, tandis que l'autre suit la façon dont ils sont agencés. Lorsque les chercheurs ont analysé l'activité combinée de ces deux groupes de neurones, ils ont constaté que ce mélange permettait un décodage quasi parfait de la disposition de la scène. C'était comme si le cerveau utilisait deux langues différentes pour décrire la même scène, garantissant que l'information soit robuste et complète. De plus, les chercheurs ont découvert un lien direct entre ce code neural et le comportement des singes. La mémoire des singes concernant la position des objets était légèrement biaisée ; ils avaient tendance à mémoriser la position d'un objet comme étant repoussée par l'autre, un phénomène connu sous le nom de répulsion. L'étude a démontré que cette particularité comportementale était une conséquence directe du code relationnel : parce que les neurones étaient réglés sur la relation entre les objets, leur activité combinée poussait naturellement les emplacements estimés à s'écarter, reflétant ainsi les erreurs réelles des singes.

Pour comprendre comment le cerveau pourrait générer un code aussi complexe, les chercheurs ont testé plusieurs modèles informatiques existants sur la manière dont les neurones pourraient traiter plusieurs objets. Les modèles standards qui se contentent simplement de faire la moyenne des signaux de deux objets ou de normaliser leur force combinée n'ont pas réussi à reproduire les motifs relationnels observés. Ces modèles ne pouvaient pas expliquer pourquoi un neurone préférerait une paire d'objets verticaux à une paire horizontale si les objets individuels se trouvaient aux mêmes endroits. Cependant, un modèle incorporant la capacité du cerveau à anticiper les mouvements oculaires futurs a réussi. Ce modèle de « champ futur » suggère que les neurones pourraient ne pas seulement s'activer pour l'endroit où se trouvent les objets maintenant, mais pour l'endroit où ils seraient si le singe regardait l'un d'eux. En simulant le décalage de la vision qui se produirait lors d'un mouvement oculaire planifié, le modèle produit naturellement le réglage relationnel observé dans le cerveau réel. Cela implique que la capacité du cerveau à comprendre l'agencement des objets est profondément liée à son plan sur la façon de les regarder.

Les conclusions suggèrent que le cortex oculomoteur frontal, une région auparavant considérée comme principalement concernée par la sélection de cibles uniques pour les mouvements oculaires, joue un rôle bien plus large dans l'organisation de notre monde visuel. Il semble que le cerveau ne se contente pas de stocker l'emplacement des choses ; il stocke la structure même de la scène. Ce code relationnel permet au cerveau de maintenir une compréhension stable de la façon dont les objets sont agencés, même lorsque nos yeux bougent et que l'image sur notre rétine change. Bien que l'étude ait été menée sur des singes, les principes s'appliquent probablement aux humains également, offrant une nouvelle perspective sur la façon dont nous percevons et mémorisons les scènes complexes à objets multiples qui constituent nos vies quotidiennes. La recherche ne prétend pas avoir résolu tout le mystère de la perception des scènes, mais elle fournit un ancrage concret, montrant que la carte du monde par le cerveau est construite non seulement sur des points, mais aussi sur les lignes qui les relient.