Donner la priorité à l’inattendu : découverte d’un nouveau mécanisme cérébral

Des chercheurs ont découvert comment deux zones du cerveau, le néocortex et le thalamus, travaillent ensemble pour détecter les écarts entre ce que les animaux attendent de leur environnement et les événements réels. Ces erreurs de prédiction sont mises en œuvre par une stimulation sélective d’informations sensorielles inattendues. Ces découvertes améliorent notre compréhension du traitement prédictif dans le cerveau et pourraient offrir des informations sur la manière dont les circuits cérébraux sont altérés dans les troubles du spectre autistique (TSA) et les troubles du spectre schizophrénique (TSS).

La recherche, publiée dans Nature, décrit comment les scientifiques du Sainsbury Wellcome Centre de l’UCL ont étudié des souris dans un environnement de réalité virtuelle pour nous rapprocher de la compréhension de la nature des signaux d’erreur de prédiction dans le cerveau ainsi que des mécanismes par lesquels ils surviennent.

« Notre cerveau prédit constamment ce qui nous attend dans le monde qui nous entoure et les conséquences de nos actions. Lorsque ces prédictions se révèlent fausses, cela provoque une forte activation de différentes zones cérébrales, et ces signaux d’erreur de prédiction sont importants pour nous aider à apprendre de nos erreurs et à mettre à jour nos prédictions. Mais malgré leur importance, on sait étonnamment peu de choses sur les mécanismes des circuits neuronaux responsables de leur mise en œuvre dans le cerveau », explique la professeure Sonja Hofer, chef de groupe au SWC et auteure correspondante de l’article.

Pour étudier la manière dont le cerveau traite les événements attendus et inattendus, les chercheurs ont placé des souris dans un environnement de réalité virtuelle où elles pouvaient parcourir un couloir familier pour atteindre une récompense. L’environnement virtuel a permis à l’équipe de contrôler avec précision les entrées visuelles et d’introduire des images inattendues sur les murs. En utilisant une technique appelée imagerie calcique à deux photons, les chercheurs ont pu enregistrer l’activité neuronale de nombreux neurones individuels dans le cortex visuel primaire, la première zone de notre néocortex à recevoir des informations visuelles des yeux.

« Les théories précédentes suggéraient que les signaux d’erreur de prédiction encodent la façon dont l’entrée visuelle réelle diffère des attentes, mais étonnamment, nous n’avons trouvé aucune preuve expérimentale de cela. Au lieu de cela, nous avons découvert que le cerveau renforce les réponses des neurones qui ont la plus forte préférence pour l’entrée visuelle inattendue », a expliqué le Dr Shohei Furutachi, chercheur principal dans les laboratoires Hofer et Mrsic-Flogel du SWC et premier auteur de l’étude.

« Le signal d’erreur que nous observons est une conséquence de cette amplification sélective de l’information visuelle. Cela implique que notre cerveau détecte les écarts entre les prédictions et les entrées réelles pour rendre les événements inattendus plus saillants. »

Pour comprendre comment le cerveau génère cette amplification de l’entrée sensorielle inattendue dans le cortex visuel, l’équipe a utilisé une technique appelée optogénétique pour désactiver ou activer différents groupes de neurones. Ils ont identifié deux groupes de neurones qui étaient importants pour provoquer le signal d’erreur de prédiction dans le cortex visuel : les interneurones inhibiteurs exprimant le polypeptide intestinal vasoactif (VIP) dans V1 et une région cérébrale thalamique appelée pulvinar, qui intègre les informations provenant de nombreuses zones néocorticales et sous-corticales et est fortement connectée à V1.

Mais les chercheurs ont découvert que ces deux groupes de neurones interagissent d’une manière surprenante.

« En neurosciences, nous nous concentrons souvent sur l’étude d’une région ou d’une voie cérébrale à la fois. Mais venant d’une formation en biologie moléculaire, j’ai été fasciné par la façon dont différentes voies moléculaires interagissent de manière synergique pour permettre une régulation flexible et contextuelle. J’ai décidé de tester la possibilité qu’une coopération puisse se produire au niveau des circuits neuronaux, entre les neurones VIP et le pulvinar », explique le Dr Furutachi.

Les travaux du Dr Furutachi ont en effet révélé que les neurones VIP et le pulvinar agissent en synergie. Les neurones VIP agissent comme un commutateur : lorsqu’ils sont éteints, le pulvinar supprime l’activité dans le néocortex, mais lorsque les neurones VIP sont allumés, le pulvinar peut stimuler fortement et sélectivement les réponses sensorielles dans le néocortex. L’interaction coopérative de ces deux voies sert ainsi de médiateur aux signaux d’erreur de prédiction sensorielle dans le cortex visuel.

Les prochaines étapes pour l’équipe sont d’étudier comment et où dans le cerveau les prédictions des animaux sont comparées aux entrées sensorielles réelles pour calculer les erreurs de prédiction sensorielle et comment les signaux d’erreur de prédiction influencent l’apprentissage. Ils étudient également comment leurs découvertes pourraient contribuer à la compréhension des TSA et des SSD.

« Il a été suggéré que les TSA et les SSD peuvent tous deux être expliqués par un déséquilibre dans le système d’erreur de prédiction. Nous essayons maintenant d’appliquer notre découverte aux animaux modèles de TSA et de SSD pour étudier les circuits neuronaux mécanistes sous-jacents à ces troubles », a expliqué le Dr Furutachi.