Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches

Le cerveau n'est pas une caméra passive qui se contente d'enregistrer le monde tel qu'il apparaît. Il est plutôt un prédicteur actif, générant constamment des suppositions sur ce qui va se passer ensuite en se basant sur tout ce qu'il a appris du passé. Lorsque vous tendez la main vers une tasse de café, votre cerveau a déjà anticipé son poids et sa position avant même que votre main ne bouge. Cette capacité à comparer les données sensorielles entrantes avec les attentes internes est une théorie fondamentale du fonctionnement du cortex, la couche externe du cerveau. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que lorsque la réalité ne correspond pas à ces prédictions, le cerveau génère un signal spécifique pour signaler l'erreur. Cependant, prouver exactement comment cela se produit a été difficile car le cerveau traite ces signaux de manière complexe, impliquant souvent différentes parties d'une même cellule nerveuse travaillant ensemble au même moment.

Pour comprendre ce processus, les chercheurs se sont concentrés sur le neurone pyramidal, un type courant de cellule cérébrale en forme de pyramide. Ces cellules possèdent un corps principal, appelé soma, qui fait office de centre de commande, et un long bras ramifié appelé dendrite apicale qui s'étend loin pour recevoir l'information. Certaines théories suggèrent que la dendrite reçoit des prédictions « descendantes » (top-down) provenant d'autres parties du cerveau, tandis que le soma reçoit des données « ascendantes » (bottom-up) provenant des sens. L'idée est que la cellule compare ces deux flux d'informations pour détecter un décalage. Si la prédiction est erronée, la cellule peut décharger différemment ou modifier la façon dont ses parties communiquent entre elles. La grande question était de savoir si cette comparaison se produit à l'intérieur d'une seule cellule et, si c'est le cas, si le corps et le long bras de la cellule réagissent de manière coordonnée lorsqu'une surprise survient.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission d'observer ce processus en temps réel en utilisant des souris. Ils voulaient voir s'ils pouvaient surprendre ces cellules en plein acte de détection d'une surprise, et plus précisément, si la surprise provoquait que le corps de la cellule et son long bras s'illuminent ensemble ou séparément. Pour ce faire, ils ont utilisé un microscope sophistiqué capable de scruter profondément le cerveau de souris éveillées et en mouvement. Ils se sont concentrés sur le cortex visuel, la partie du cerveau qui traite ce que les yeux voits. Ils ont entraîné les souris à regarder des séquences d'images spécifiques jusqu'à ce que les animaux s'y habituent, leur apprenant ainsi ce qu'il faut attendre. Ensuite, les chercheurs ont introduit des changements inattendus dans les séquences pour voir comment le cerveau réagissait.

L'expérience impliquait deux types de stimuli visuels très différents. Premièrement, les souris regardaient de courts clips de scènes naturelles, telles que des vers rampant dans le sol ou des souris courant à l'extérieur. Ces clips étaient joués à l'endroit jusqu'à ce que les souris soient habituées, puis, de manière inattendue, une partie du clip était jouée à l'envers. Ce renversement brisait le flux naturel du temps et du mouvement, créant une véritable surprise pour l'animal. Deuxièmement, les souris voyaient des séquences de formes simples et artificielles appelées patchs de Gabor, qui sont essentiellement des barres de lumière floues à des angles spécifiques. Ces patchs changeaient selon un motif prévisible, puis, de manière inattendue, l'un des patchs pivotait vers un angle différent. Les chercheurs ont utilisé un microscope à double plan pour enregistrer l'activité à la fois des corps cellulaires et des extrémités distantes des dendrites de milliers de neurones simultanément. Cela leur permettait de voir si les deux parties de la cellule réagissaient de manière synchrone lors d'une surprise.

Les résultats étaient clairs et frappants pour les clips de films naturels. Lorsque la vidéo s'est soudainement inversée, les neurones du cortex visuel ont déchargé plus intensément que lorsque le même clip était joué dans un ordre entièrement inversé et non surprenant. Cette activité accrue était le signe que le cerveau avait détecté un décalage entre ce qu'il attendait et ce qu'il voyait. Crucialement, cette réaction se produisait à la fois dans les corps cellulaires et dans les dendrites apicales. Les deux parties de la cellule montraient une activité accrue, mais les chercheurs n'ont trouvé aucune preuve que la relation ou le « couplage » entre elles n'avait changé pendant la surprise. Ce schéma était constant à travers différentes couches du cortex visuel et à travers différentes régions du cerveau. Les chercheurs ont également constaté que cette réaction était plus forte lors de la première rencontre avec l'inversion et diminuait progressivement à mesure que les souris étaient exposées à la surprise de manière répétée sur plusieurs jours, suggérant que le cerveau apprenait à intégrer le nouveau motif dans ses attentes.

Cependant, l'histoire a totalement changé lorsque les chercheurs sont passés aux patchs de Gabor artificiels. Malgré la conception minutieuse de l'expérience, les souris n'ont pas montré les mêmes signes clairs de surprise lorsque l'orientation des formes simples changeait de manière inattendue. Les neurones ne déchargeaient pas de manière significativement plus intense en réponse à l'angle discordant par rapport aux séquences de contrôle. Les chercheurs ont écarté plusieurs explications alternatives, telles que le fait que les cellules soient simplement fatiguées par une observation répétée ou qu'elles réagissent à la nouveauté d'une nouvelle forme. Les données suggèrent que le système visuel est hautement adapté au flux complexe et continu des scènes naturelles, mais qu'il ne traite pas les motifs simples et artificiels de la même manière. Le cerveau semble avoir des attentes fondées sur les statistiques du monde naturel, et il peine à générer le même type de signal d'erreur lorsque ces attentes sont violées par des motifs abstraits et fabriqués par l'homme.

La découverte la plus significative concernait peut-être la manière dont les différentes parties du neurone communiquaient entre elles. De nombreuses théories prédisaient que lorsqu'un décalage se produit, la connexion entre le corps cellulaire et la dendrite changerait, devenant peut-être plus forte ou plus faible pour faciliter le signal d'erreur. Les chercheurs ont cherché des preuves de cela en mesurant la force avec laquelle l'activité dans la dendrite était couplée à l'activité dans le corps cellulaire. Ils n'ont trouvé aucune preuve que ce couplage changeait pendant la surprise. Les deux parties de la cellule restaient aussi connectées pendant un décalage qu'elles l'étaient lors d'une séquence normale et attendue, ce qui signifie que le cerveau ne comptait pas sur un changement soudain dans la façon dont ces deux compartiments communiquent pour signaler une erreur. Au lieu de cela, la cellule entière devenait simplement plus active de manière unifiée lorsqu'elle détectait une déviation du monde naturel.

Ces découvertes offrent une nouvelle perspective sur la façon dont le cerveau traite le monde visuel. Elles confirment que le cortex visuel est sensible aux déviations des motifs naturels, générant un signal robuste lorsque le flux de la réalité est interrompu. Pourtant, elles montrent aussi que cette sensibilité n'est pas une réponse universelle à toutes les surprises ; elle est spécifique aux entrées complexes et dynamiques que le cerveau a évolué pour gérer. De plus, l'étude remet en question l'idée que le mécanisme de détection d'erreur du cerveau repose sur une reconfiguration spectaculaire de l'interaction entre les parties d'un seul neurone. Le cerveau semble plutôt utiliser une forme de communication plus distribuée et stable, où la cellule entière s'éveille simplement pour signaler que quelque chose dans le monde naturel a mal tourné. Ce travail aide à clarifier la machinerie biologique de la prédiction, montrant que nos cerveaux sont finement réglés sur le rythme de la nature, mais peut-être moins sur celui des conceptions artificielles rigides.