The Impact of Topological Changes on Visual Working Memory in Schizophrenia: Evidence from Behavioral and EEG Measures

L'esprit humain est un maître de l'organisation. Lorsque nous regardons le monde, nos cerveaux ne se contentent pas d'enregistrer un mélange chaotique de couleurs et de lignes ; ils regroupent instantanément ces détails en objets cohérents. Cette capacité à percevoir une tasse comme une entité unique, plutôt que comme une simple collection de courbes et d'une anse, repose sur un type spécifique d'information structurelle appelée topologie. En termes simples, la topologie fait référence à la forme fondamentale d'un objet qui reste vraie même si ses détails de surface changent. Par exemple, un mug avec une anse possède un trou, tandis qu'une balle pleine n'en a pas. Cette différence dans la présence ou l'absence d'un trou est une propriété topologique. Il s'agit d'une caractéristique profonde et stable de l'identité d'un objet que nos cerveaux semblent privilégier, en la remarquant souvent plus rapidement et plus de manière plus fiable que les changements de couleur ou l'aspect exact du contour de la forme. Cette priorité s'étend à notre mémoire de travail visuelle, cet espace de travail mental où nous conservons brièvement des images dans notre esprit pour les utiliser lors de tâches.

Cependant, ce système de classement mental peut dysfonctionner. Dans la schizophrénie, une maladie mentale grave, les personnes éprouvent souvent des difficultés avec la mémoire de travail, trouvant difficile de conserver des informations visuelles ou d'intégrer différents éléments en une image unique et claire. Bien qu'il soit connu que ces patients ont des problèmes de mémoire, les scientifiques se sont longtemps demandé si le problème résidait spécifiquement dans la manière dont leur cerveau traite ces formes structurelles profondes. Le cerveau d'une personne atteinte de schizophrenie traite-t-il toujours la forme fondamentale d'un objet comme l'élément le plus important à mémoriser, ou cette priorité spéciale est-elle perdue ? Comprendre cela pourrait révéler si le problème central est un échec de la perception claire du monde ou un échec de l'organisation de ce qui est vu en une mémoire utilisable.

Une équipe de chercheurs de l'Université médicale d'Anhui et de plusieurs hôpitaux chinois s'est donné pour mission de répondre à cette question en observant comment les individus se souviennent des formes. Ils ont recruté deux groupes d'adultes : trente et un patients présentant une schizophrénie cliniquement stable et trente-deux individus sains. Tous les participants étaient âgés de 18 à 45 ans, avaient une vision normale et avaient suivi au moins neuf années de scolarité. Les patients prenaient tous régulièrement des médicaments pour leur pathologie et n'étaient pas en plein épisode psychotique aigu. Avant l'expérience principale, les chercheurs ont évalué les symptômes des patients ainsi que les capacités cognitives générales de tous les participants afin d'assurer une comparaison équitable.

L'expérience s'est déroulée dans une pièce calme où les participants étaient assis à environ deux mètres d'un écran d'ordinateur. On leur montrait une série de formes géométriques, certaines avec des trous et d'autres sans, dans diverses couleurs. À chaque essai, le participant devait mémoriser quatre de ces formes ainsi que leurs emplacements. Après une brève pause, une nouvelle forme apparaissait sur l'écran, et le participant devait décider si son contour correspondait à la forme vue précédemment à cet emplacement précis. Les chercheurs contrôlaient soigneusement les changements. Parfois, le contour changeait, parfois la couleur changeait, et parfois la structure fondamentale changeait — spécifiquement, si la forme possédait un trou ou non. Crucialement, les chercheurs manipulaient ces caractéristiques de sorte que le statut du trou soit soit en accord, soit en contradiction avec le changement de contour. Cette configuration leur a permis de voir si le cerveau utilisait automatiquement l'information du « trou » pour aider ou entraver la tâche de mémoire, même si la tâche ne portait que sur le contour.

Les résultats ont montré que pour les personnes saines, le cerveau utilisait effectivement cette information structurelle. Lorsque le statut du trou de la forme correspondait au changement de contour, les participants sains étaient plus précis et plus rapides dans leur tâche. C'était comme si leurs cerveaux utilisaient l'identité structurelle profonde de l'objet comme une ancre fiable. Cependant, les patients atteints de schizophrénie présentaient un schéma différent. Bien qu'ils n'étaient pas totalement aveugles aux changements structurels, leur capacité à utiliser cette information pour améliorer leur mémoire était nettement plus faible. Ils étaient globalement moins précis que le groupe sain, et l'apport bénéfique de la cohérence structurelle était beaucoup plus limité pour eux. Cela suggère que, bien que les patients puissent encore voir les formes, leurs cerveaux étaient moins efficaces pour intégrer cette connaissance structurelle profonde dans leur mémoire de travail afin de guider leurs décisions.

Pour comprendre ce qui se passait à l'intérieur du cerveau durant ces moments de mémoire, les chercheurs ont placé des électrodes sur la tête des participants pour enregistrer l'activité électrique. Ils se sont concentrés sur des ondes cérébrales spécifiques connues pour être impliquées dans la rétention d'informations et la prise de décision. Ils ont observé l'activité cérébrale dans la zone frontale, qui gère la prise de décision, et la zone occipitale à l'arrière de la tête, qui traite la vision. Ils ont découvert que chez les personnes saines, les signaux électriques du cerveau dans la gamme de fréquences bêta changeaient d'une manière spécifique lorsque la structure de l'objet changeait. Ce changement est considéré comme le reflet de la mise à jour de l'image interne de l'objet par le cerveau. Chez les patients souffrant de schizophrénie, ce signal de mise à jour était altéré. Leurs cerveaux ne montraient pas la même réponse flexible lorsque la structure de la forme changeait, suggérant qu'ils éprouvaient des difficultés à mettre à jour leur image mentale de l'objet en temps réel.

De plus, les chercheurs ont examiné comment les différentes parties du cerveau communiquent entre elles. Chez les participants sains, lorsque la structure de la forme changeait, la connexion entre la zone visuelle à l'arrière du cerveau et la zone de décision à l'avant se renforçait selon un rythme spécifique. Ce renforcement de la connexion aidait probablement le cerveau à coordonner l'entrée visuelle avec la tâche de mémoire. Les patients atteints de schizophrénie, cependant, ne montraient pas cette même capacité à renforcer la connexion en fonction des exigences de la tâche. Leurs cerveaux semblaient moins capables de lier de manière flexible le centre de traitement visuel avec le centre de la mémoire lorsque l'information structurelle était pertinente.

Ces conclusions brossent le portrait d'un type spécifique de difficulté dans la schizophrénie. Les patients ne font pas simplement oublier des choses ; ils éprouvent des difficultés à utiliser les caractéristiques les plus fondamentales et stables d'un objet pour les aider à se souvenir. Leurs cerveaux ne semblent pas accorder la priorité à l'identité structurelle profonde d'un objet de la même manière que les cerveaux sains, et les réseaux neuronaux qui coordonnent habituellement ce processus sont moins réactifs. L'étude suggère que les problèmes de mémoire dans la schizophrénie pourraient provenir d'un problème plus profond dans la manière dont le cerveau organise et met à jour l'information visuelle, plutôt que d'un simple manque d'espace de stockage. Bien que les chercheurs aient noté que leur échantillon était relativement petit et que les effets de la médication ne pouvaient être totalement exclus, les résultats tendent vers la nécessité d'examiner comment le cerveau construit l'identité même des objets lors de l'étude des troubles de la mémoire. Ces travaux indiquent que la voie vers une meilleure compréhension de ces conditions pourrait passer par l'examen de la manière dont le cerveau perçoit la structure du monde, et non seulement ses détails de surface.