Des modèles de longue date du cerveau le décrivent comme quelque chose comme un ordinateur biologique. Selon cette image traditionnelle, le cerveau traite l’information comme un relais. Les cellules neuronales individuelles détectent un stimulus, puis transmettent ces données d’un neurone à l’autre, à travers une séquence de portes.
Le modèle n’est pas faux, mais il laisse beaucoup de choses inexpliquées, en particulier comment les cellules sensorielles chez les animaux peuvent réagir différemment au même stimulus. Par exemple, un flash de lumière rapide peut normalement activer une cellule sensorielle chez un animal, mais la cellule sensorielle peut ne pas s’activer si l’attention de l’animal est concentrée sur autre chose que la lumière. Les experts veulent savoir pourquoi cela pourrait arriver.
Dans un récent papier, une équipe de chercheurs du Salk Institute for Biological Studies, à San Diego, Californie, proposent un nouveau modèle mathématique et une explication possible. Plutôt que de comparer une interaction entre des neurones individuels à un relais, il serait peut-être plus logique de la comparer à des vagues océaniques.
Expériences sensorielles
Le traitement de l’information pourrait dans certains cas être mieux décrit comme une interaction d’ondes, explique Sergei Gepshtein, scientifique spécialisé en psychologie perceptuelle et en neurosciences sensorimotrices et l’un des auteurs de l’étude.
Au lieu qu’un neurone réponde à un stimulus donné, des schémas distribués d’activité neuronale à travers le cerveau forment un schéma d’onde de pics et de creux alternés, tout comme les pics et les creux des ondes électromagnétiques ou des vagues océaniques.
Et comme ces ondes plus familières, les ondes d’activité cérébrale – ce que les chercheurs appellent les ondes neurales – s’augmentent ou s’annulent lorsqu’elles se rencontrent.
“Des expériences sensorielles surgissent dans votre esprit à la suite de cette interaction”, explique Gepshtein.
Modèle mathématique
Les chercheurs ont testé leur modèle mathématique physiologiquement et comportementalement. Dans l’étude comportementale, les chercheurs ont brièvement montré aux sujets deux motifs lumineux composés de bandes alternées de lignes noires et blanches, appelées réseaux de luminance. Entre les motifs, une faible ligne verticale, appelée sonde, apparaît. Les chercheurs ont demandé aux sujets si la sonde apparaissait dans la moitié supérieure ou inférieure des réseaux de luminance.
La capacité du sujet à détecter la sonde était meilleure à certains endroits et moins bonne à d’autres. Lorsque les chercheurs ont tracé les résultats, ils ont formé le modèle d’onde prédit par le modèle mathématique. En d’autres termes, la capacité de voir la sonde dépendait de la façon dont les ondes neuronales étaient superposées à un endroit particulier.
Il existe de nombreuses utilisations potentielles de ce nouveau cadre pour comprendre la perception. Par exemple, les scientifiques suggèrent que cela pourrait clarifier la façon dont les organismes, y compris les humains, traitent les informations spatiales.
Alors que cette étude portait sur la perception visuelle, Gepshtein souligne que les ondes neuronales sont une propriété de nombreuses parties du cortex cérébral. Les scientifiques pourraient alors utiliser ce modèle pour comprendre également d’autres types de perception. Ils pourraient également l’utiliser pour concevoir une intelligence artificielle, dit-il.
Gepshtein souligne que ce nouveau modèle ne remplace pas le modèle traditionnel, mais le complète.
« C’est une façon différente de penser à la façon dont le cerveau traite l’information, et cela aide à comprendre des phénomènes qui étaient difficiles à comprendre du point de vue traditionnel », explique Gepshtein.
Une bonne analogie, dit-il, est la dualité particule-onde en chimie et en physique – la découverte que les ondes électromagnétiques, y compris la lumière, ont des propriétés à la fois de particules et d’ondes. Lorsque l’on réfléchit à la façon dont le cerveau traite l’information, nous pouvons parfois utiliser le modèle traditionnel des neurones individuels répondant aux stimuli. Mais dans de nombreux cas, nous pouvons obtenir une image plus claire de ce qui se passe en considérant le processus comme une vague d’activité neuronale.
