164. NEUROSCIENCES VISUELLES
La mémoire peut changer la façon dont nous percevons les informations visuelles et auditives que nous rencontrons.
Résumé : Une nouvelle recherche se concentre sur l'impact de la mémoire sur la perception des informations auditives et visuelles.
Source: Harvard
Aleena Garner se souvient encore du moment où elle a décidé de se lancer dans la neurobiologie. Elle était dans un cours de chimie de premier cycle lorsqu'elle a réalisé : le cerveau humain - cet organe de trois livres capable d'effectuer une gamme infinie de tâches sophistiquées - est composé des mêmes éléments que le yaourt.
"Bien qu'ils aient une composition similaire à celle du yaourt, nos cerveaux sont considérablement plus capables. Comment se peut-il? C'est une grande question que je me pose depuis longtemps », a déclaré Garner.
Garner, qui est récemment devenu professeur adjoint de neurobiologie à l'Institut Blavatnik de la Harvard Medical School, s'attaque à cette question en explorant comment le cerveau traite les informations sensorielles.
Dans une conversation avec Harvard Medicine News , Garner a approfondi ses recherches, qui se concentrent sur la façon dont la mémoire affecte la perception des informations visuelles et auditives.
La compréhension de ces interactions fera non seulement progresser la compréhension générale du cerveau, a-t-elle déclaré, mais pourrait être utile dans des situations telles que le trouble de stress post-traumatique (SSPT), où elles sont perturbées.
HMNews : Pourquoi étudiez-vous la perception dans le contexte de la mémoire ?
Garner : Traditionnellement, nous pensons que la mémoire se produit dans une région cognitive d'ordre supérieur du cerveau, distincte des régions sensorielles qui traitent des informations plus élémentaires sur le monde. Ainsi, il est logique d'examiner les régions sensorielles en ce qui concerne les informations visuelles qui pénètrent dans l'œil et les informations auditives qui pénètrent dans l'oreille.
Cependant, nous ne comprenons pas pourquoi il semble y avoir plus de rétroaction des zones cognitives d'ordre supérieur vers les régions sensorielles que des organes récepteurs comme l'œil et l'oreille.
Nous ne savons pas non plus pourquoi le cortex auditif et le cortex visuel communiquent entre eux avant d'envoyer des informations aux régions cérébrales d'ordre supérieur. Il est logique que nous voudrions former une image pure de ce que nous voyons ou entendons dans le monde, mais l'anatomie du cerveau suggère que nous modifions en fait ce que nous percevons dans nos premières régions sensorielles avant que cette information n'arrive à domaines cognitifs d'ordre supérieur.
L'un des grands objectifs de mon laboratoire est d'étudier la communication entre les régions sensorielles précoces et les régions cognitives d'ordre supérieur du cerveau pour comprendre comment elles interagissent.
Plus précisément, nous voulons savoir comment utilisons-nous la mémoire. Une application de la mémoire pourrait être de construire une image du monde afin que nous puissions prédire ce qui va se passer.
Si vous entrez dans une nouvelle pièce, vous comprenez que vous ne pouvez pas traverser les murs car vous pouvez faire des prédictions dans un nouveau contexte en fonction de ce que vous savez déjà. Vous savez que vous pouvez prendre un verre d'eau et en boire, vous n'avez donc pas besoin de dépenser beaucoup d'énergie neuronale pour traiter cette information. Au lieu de cela, votre cerveau dépense plus d'énergie pour traiter une conversation avec une autre personne et penser à des choses auxquelles vous ne vous attendiez pas, comme une question qui ne vous a jamais été posée auparavant. Votre cerveau peut alors mettre à jour son modèle pour intégrer ces nouvelles informations.
Les souvenirs nous permettent de dépenser moins d'énergie à traiter les choses auxquelles nous nous attendons, nous permettant d'amplifier le signal des choses auxquelles nous ne nous attendons pas. Nous nous intéressons au fonctionnement de ce processus.
HMNews : Avez-vous d'autres exemples de la façon dont la mémoire peut modifier notre interprétation des informations sensorielles ?
Garner : Si vous êtes sur le trottoir et que vous entendez une sirène alors que vous êtes sur le point de franchir un passage pour piétons, vous vous arrêterez parce que l'expérience vous dit qu'une ambulance passe devant vous. À ce moment-là, votre sens auditif déclenche l'image visuelle d'une ambulance.
Cependant, peut-être que la sirène finit par être un jouet d'enfant au lieu d'une ambulance. Si cela arrive assez souvent, quand vous entendrez la sirène, vous penserez que c'est juste le jouet de quelqu'un, et vous marcherez quand même sur le passage pour piétons. C'est parce que votre expérience et votre mémoire ont en fait changé votre image du monde, et donc vous interprétez la sirène différemment.
Parfois, le même stimulus est intégré dans deux mémoires différentes, une positive et une négative. Ensuite, la question devient de savoir comment votre cerveau sait comment réagir. Cela dépendra des autres signaux sensoriels autour du stimulus.
Si vous voyez une image et entendez une cloche, cela peut signifier que vous allez recevoir une récompense, mais si vous voyez la même image et entendez un bruit de frappe, cela peut signifier que vous allez recevoir une punition. Dans cet exemple, votre expérience avec les informations auditives change la façon dont vous interprétez les informations visuelles.
Nous voulons savoir comment le cerveau effectue ces ajustements et où ces changements se produisent.
HMNews : Y a-t-il des applications potentielles de vos recherches qui vous intéressent ?
Garner : Un objectif à plus long terme du laboratoire est d'examiner les cas liés à des traumatismes tels que le SSPT. Normalement, les gens peuvent distinguer quand un stimulus est sûr et quand il ne l'est pas. Cependant, dans le SSPT, cette capacité est perturbée et l'un des symptômes peut être de trop généraliser et d'avoir peur d'un stimulus même lorsque vous n'en avez pas besoin. Cette réaction de peur peut provoquer une réaction physique telle que des muscles tendus et un gel.
Il y a des travaux chez l'homme qui examinent comment le tronc cérébral est impliqué dans la physiologie du corps et comment nous réagissons aux stimuli. Je veux examiner les connexions entre le tronc cérébral et les régions corticales du cerveau pour voir comment la communication fonctionne et comment elle est perturbée après un traumatisme, d'abord chez la souris, puis chez l'homme.
Je m'intéresse également aux fonctions motrices du cerveau. J'ai été en kinésithérapie pendant un certain temps après un accident d'escalade, et j'ai rencontré des patients atteints de la maladie de Parkinson qui s'entraînaient en rééducation et en kinésithérapie pour aller mieux. C'est remarquable – la physiothérapie et l'entraînement aident à soulager les symptômes, même si la maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative.
Je veux explorer les interventions pour les maladies neurodégénératives qui sont basées sur la connectivité entre les régions sensorielles du cortex et du tronc cérébral. De telles interventions peuvent être en mesure d'entraîner le cerveau à avoir plus de fonction motrice même si certaines des zones motrices primaires se détériorent.
HMNews : Vous avez récemment publié un article dans Nature Neuroscience qui explorait la mémoire et les prédictions audiovisuelles chez la souris. Qu'avez-vous découvert?
Garner : La motivation du travail était une question fondamentale : si un stimulus visuel est intégré dans un souvenir, est-il représenté différemment dans le cortex visuel primaire du cerveau ? En d'autres termes, est un stimulus visuel présenté de manière relativement neutre traité différemment par le cerveau que le même stimulus présenté lors d'une récupération de mémoire spécifique. Dans l'étude, nous avons utilisé un signal auditif pour déclencher un souvenir d'un stimulus visuel.
Il s'est avéré qu'il y avait une différence. La réponse au stimulus visuel a été supprimée après que la souris ait appris à l'associer à un signal auditif déclenchant la mémoire. Mais nous ne savions pas ce qui causait cette suppression. Les scientifiques ont établi qu'il existe une grande projection du cortex auditif vers le cortex visuel chez les primates et les souris, mais la fonction de cette voie n'est pas comprise, nous avons donc décidé de l'étudier.
Nous avons constaté que les axones auditifs avaient des réponses auditives et visuelles, et que le nombre d'axones visuellement réactifs augmentait à mesure que la souris était entraînée à associer les signaux auditifs et visuels.
Nous avons ensuite développé une technique de cartographie fonctionnelle qui impliquait une entrée auditive excitante de manière synthétique dans le cortex visuel tout en examinant les effets sur l'activité des neurones du cortex visuel. Curieusement, lorsque nous avons excité l'entrée auditive, nous avons constaté une suppression sélective des neurones du cortex visuel qui répondaient au stimulus visuel associé au signal auditif, mais seulement après que la souris ait appris à associer le stimulus visuel au signal auditif.
En effet, ces neurones du cortex visuel qui étaient inhibés par la stimulation synthétique de l'entrée auditive étaient principalement responsables de la suppression de la réponse visuelle après que la souris ait appris le signal auditif.
Ces résultats nous donnent un mécanisme pour expliquer la suppression dépendante de l'expérience des réponses visuelles suite à un signal auditif appris et prédictif.
HMNews : Dans vos recherches, vous utilisez un système de réalité virtuelle conçu pour les souris. Comment ça marche?
Garner : Dans le système, une souris se trouve sur un tapis roulant sphérique, une balle dans l'air entourée d'un écran en forme de dôme. Le tapis roulant permet à la souris de faire pivoter son torse et de bouger ses jambes dans différentes directions, mais maintient la souris en place afin que nous puissions mesurer l'activité de centaines de neurones dans son cerveau. Ensuite, nous associons le mouvement de la souris à tout ce que nous projetons sur les murs du dôme, créant une réalité virtuelle où, lorsque la souris tourne, le monde fait un contre-tour, comme dans la vraie vie.
Cette configuration nous permet d'avoir un contrôle temporel et spatial précis sur les stimuli auditifs et visuels qu'une souris subit. Nous créons des murs virtuels dans le dôme, de sorte que la souris puisse se déplacer vers le mur, mais ne puisse pas le traverser. Nous projetons également différents types de motifs visuels et de formes sur les murs et présentons des sons à l'aide d'un système de son surround. C'est un peu comme un théâtre IMAX interactif en 3D dimensionné pour une souris.
Nous utilisons ensuite l'imagerie calcique pour enregistrer l'activité neuronale pendant que la souris explore ce monde virtuel interactif.
HMNews : Votre description me fait penser à une souris jouant à un jeu vidéo…
Garner : Oui, c'est exactement ce que c'est [rires]. Avec la réalité virtuelle, nous pouvons faire toutes sortes de choses intéressantes sans avoir à saisir physiquement la souris et à la déplacer d'un endroit à un autre, ce qui affecte le comportement et même la transcription des gènes.
La compréhension de ces interactions fera non seulement progresser la compréhension générale du cerveau, a-t-elle déclaré, mais pourrait être utile dans des situations telles que le trouble de stress post-traumatique (SSPT), où elles sont perturbées. L'image est dans le domaine public
Nous pouvons appuyer sur un interrupteur pour changer instantanément l'environnement, de sorte que nous puissions examiner l'apprentissage contextuel sans rien changer d'autre que le contexte. Ce serait impossible dans un environnement réel.
Christopher Harvey, professeur agrégé de neurobiologie à HMS, a développé cette technologie pendant son travail postdoctoral, je suis donc très heureux de travailler dans le même département que lui. C'est une opportunité exceptionnelle.
HMNews : Au-delà de vos recherches, dans quoi espérez-vous être impliqué chez HMS ?
Garner : J'adore enseigner – c'est l'une des raisons pour lesquelles je me suis lancé dans les sciences universitaires. Même si vous ne réalisez pas que vous êtes doué pour quelque chose, un enseignant peut le faire ressortir, ce qui peut changer le cours de votre vie. C'est l'une des raisons pour lesquelles j'ai été attiré par Harvard. Il semble y avoir un véritable soutien à l'enseignement et une attitude positive quant à l'importance de l'enseignement.
Je fais également partie d'un groupe appelé le Leading Edge Symposium qui a été fondé par Kara McKinley, professeure adjointe de cellules souches et de biologie régénérative à Harvard. Le groupe vise à soutenir les femmes et les individus non binaires dans les sciences.
Les post-doctorants de n'importe où peuvent postuler et le programme fournit un soutien lors des candidatures : les participants peuvent donner des conférences pratiques, obtenir des commentaires sur les documents de candidature - beaucoup de choses que tout le monde n'obtient pas dans leur établissement. C'est merveilleusement encourageant, et je ne pense pas que j'aurais si bien passé un entretien sans faire partie du groupe en tant que postdoc. Il existe différents niveaux d'approche de la question de l'équité entre les sexes dans les sciences, et je pense que le niveau à petite échelle de l'enseignement et du mentorat des individus est très important.
Bien sûr, je veux exercer une grande influence, mais si j'affecte deux personnes, et que ces deux personnes réussissent et démarrent leurs propres laboratoires, alors elles peuvent chacune influencer deux autres personnes. Vous commencez à avoir cette croissance exponentielle.
À propos de cette actualité de la recherche sur la mémoire
Auteur : Catherine Caruso
Source : Harvard
Contact : Catherine Caruso – Harvard
Image : L'image est dans le domaine public
Recherche originale : Accès fermé.
« Un circuit cortical pour les prédictions audiovisuelles » par Aleena R. Garner et al. Neurosciences naturelles
Abstrait
Un circuit cortical pour les prédictions audio-visuelles
Des associations apprises entre des stimuli dans différentes modalités sensorielles peuvent façonner la façon dont nous percevons ces stimuli. Cependant, on ne comprend pas bien comment ces interactions sont médiatisées ou à quel niveau de la hiérarchie de traitement elles se produisent.
Nous décrivons ici un mécanisme neuronal par lequel une entrée auditive peut façonner des représentations visuelles de stimuli comportementaux pertinents grâce à des interactions directes entre les cortex auditifs et visuels chez la souris.
Nous montrons que l'association d'un stimulus auditif avec un stimulus visuel dans un contexte comportemental pertinent conduit à la suppression dépendante de l'expérience des réponses visuelles dans le cortex visuel primaire (V1). Les axones du cortex auditif portent un mélange d'entrées visuelles auditives et rétinotopiquement adaptées à V1, et la stimulation optogénétique de ces axones supprime sélectivement les neurones V1 qui répondent au stimulus visuel associé après, mais pas avant, l'apprentissage.
Nos résultats suggèrent que les associations intermodales peuvent être communiquées par des connexions corticales à longue portée et que, avec l'apprentissage, ces connexions intermodales fonctionnent pour supprimer les réponses aux entrées prévisibles.
Avril 2022
