Comment l’expérience façonne la connectivité neuronale dans le cerveau

Notre cerveau interprète les informations visuelles en combinant ce que nous voyons avec ce que nous savons déjà. Une étude publiée dans la revue Neuronepar des chercheurs de la Fondation Champalimaud, révèle un mécanisme d’apprentissage et de stockage de ces connaissances existantes sur le monde.

Ils ont découvert que les neurones sont câblés pour relier des concepts apparemment sans rapport. Ce câblage pourrait être crucial pour améliorer la capacité du cerveau à prédire ce que nous voyons en fonction d’expériences passées, et nous rapproche de la compréhension de la façon dont ce processus se dérègle dans les troubles de santé mentale.

Comment apprenons-nous à donner un sens à notre environnement ? Au fil du temps, notre cerveau construit une hiérarchie de connaissances, dans laquelle les concepts d’ordre supérieur sont liés aux caractéristiques d’ordre inférieur qui les composent. Par exemple, nous apprenons que les armoires contiennent des tiroirs et que les chiens dalmatiens ont des taches noires et blanches, et non l’inverse.

Ce cadre interconnecté façonne nos attentes et notre perception du monde, nous permettant d’identifier ce que nous voyons en fonction du contexte et de l’expérience.

« Prenez un éléphant », explique Leopoldo Petreanu, auteur principal de l’étude. « Les éléphants sont associés à des attributs d’ordre inférieur tels que la couleur, la taille et le poids, ainsi qu’à des contextes d’ordre supérieur comme la jungle ou les safaris. Connecter des concepts nous aide à comprendre le monde et à interpréter des stimuli ambigus. Si vous participez à un safari, vous aurez peut-être plus de chances d’apercevoir un éléphant derrière les buissons que vous ne le feriez autrement. »

« De même, savoir qu’il s’agit d’un éléphant vous rend plus susceptible de le percevoir comme gris, même dans la faible lumière du crépuscule. Mais où, dans la structure du cerveau, cette connaissance préalable est-elle stockée, et comment est-elle apprise ? »

Le système visuel du cerveau est constitué d’un réseau de zones qui fonctionnent ensemble, les zones inférieures gérant des détails simples (par exemple de petites régions de l’espace, des couleurs, des bords) et les zones supérieures représentant des concepts plus complexes (par exemple de plus grandes régions de l’espace, des animaux, des visages).

Les cellules des zones supérieures envoient des connexions de « rétroaction » aux zones inférieures, les mettant en position d’apprendre et d’intégrer des relations du monde réel façonnées par l’expérience.

Par exemple, les cellules codant un « éléphant » pourraient envoyer des informations en retour aux cellules qui traitent des caractéristiques telles que « gris », « gros » et « lourd ». Les chercheurs ont donc cherché à savoir comment l’expérience visuelle influence l’organisation de ces projections en retour, dont le rôle fonctionnel reste largement inconnu.

« Nous voulions comprendre comment ces projections de rétroaction stockent des informations sur le monde », explique Rodrigo Dias, l’un des premiers auteurs de l’étude.

« Pour ce faire, nous avons étudié les effets de l’expérience visuelle sur les projections de rétroaction vers une zone visuelle inférieure appelée V1 chez la souris. Nous avons élevé deux groupes de souris différemment : l’un dans un environnement normal avec une exposition régulière à la lumière, et l’autre dans l’obscurité. Nous avons ensuite observé comment les connexions de rétroaction et les cellules qu’elles ciblent dans V1 réagissaient à différentes régions du champ visuel. »

Chez les souris élevées dans l’obscurité, les connexions de rétroaction et les cellules V1 situées directement en dessous d’elles représentaient toutes deux les mêmes zones de l’espace visuel.

Radhika Rajan, première auteure, déclare : « Il a été étonnant de constater à quel point les représentations spatiales des zones supérieures et inférieures correspondaient chez les souris élevées dans l’obscurité. Cela suggère que le cerveau possède un schéma génétique inhérent pour organiser ces connexions spatiales alignées, indépendamment de l’apport visuel. »

Cependant, chez les souris élevées normalement, ces connexions correspondaient moins précisément et davantage d’entrées de rétroaction transmettaient des informations provenant des zones environnantes du champ visuel.

Rajan poursuit : « Nous avons constaté qu’avec l’expérience visuelle, le retour d’information fournit des informations plus contextuelles et nouvelles, améliorant la capacité des cellules V1 à échantillonner des informations à partir d’une zone plus large de la scène visuelle. »

Cet effet dépendait de l’origine dans la zone visuelle supérieure : les projections de rétroaction provenant des couches plus profondes étaient plus susceptibles de transmettre des informations environnantes par rapport à celles provenant des couches superficielles.

De plus, l’équipe a découvert que chez les souris élevées normalement, les entrées de rétroaction de la couche profonde vers V1 s’organisent en fonction des motifs qu’elles « préfèrent » voir, comme les lignes verticales ou horizontales. « Par exemple », explique Dias, « les entrées qui préfèrent les lignes verticales évitent d’envoyer des informations environnantes vers les zones situées le long de la direction verticale. En revanche, nous n’avons constaté aucun biais de connectivité de ce type chez les souris élevées dans l’obscurité. »

« Cela suggère que l’expérience visuelle joue un rôle crucial dans le réglage précis des connexions de rétroaction et dans la mise en forme des informations spatiales transmises des zones visuelles supérieures aux zones inférieures », note Petreanu.

« Nous avons développé un modèle informatique qui montre comment l’expérience conduit à un processus de sélection, réduisant les connexions entre le feedback et les cellules V1 dont les représentations se chevauchent trop. Cela minimise la redondance, permettant aux cellules V1 d’intégrer une gamme plus diversifiée de feedback. »

Il est possible que le cerveau puisse encoder les connaissances acquises en connectant des cellules qui représentent des concepts sans rapport entre eux et qui sont moins susceptibles d’être activées ensemble en fonction de modèles du monde réel. Cela pourrait être une manière économe en énergie de stocker des informations, de sorte que lorsqu’il rencontre un nouveau stimulus, comme un éléphant rose, le câblage préconfiguré du cerveau maximise l’activation, améliorant la détection et mettant à jour les prédictions sur le monde.

L’identification de cette interface cérébrale où les connaissances antérieures se combinent avec de nouvelles informations sensorielles pourrait être utile pour développer des interventions dans les cas où ce processus d’intégration dysfonctionne.

Comme le conclut Petreanu, « on pense que de tels déséquilibres se produisent dans des conditions comme l’autisme et la schizophrénie. Dans l’autisme, les individus peuvent percevoir tout comme nouveau parce que les informations antérieures ne sont pas suffisamment fortes pour influencer la perception.

« À l’inverse, dans la schizophrénie, les informations antérieures peuvent être trop dominantes, ce qui conduit à des perceptions générées en interne plutôt que basées sur des apports sensoriels réels. Comprendre comment les informations sensorielles et les connaissances antérieures sont intégrées peut aider à remédier à ces déséquilibres. »

Fourni par le Centre Champalimaud pour l’inconnu