Les rongeurs peuvent voir les objets en mouvement d'une manière similaire aux primates, suggère une étude du cortex visuel

Les rongeurs peuvent voir les objets en mouvement d’une manière similaire aux primates, suggère une étude du cortex visuel

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Pour percevoir avec précision la direction des objets en mouvement, les rats peuvent exploiter un petit groupe très utile de neurones visuels, qui semblent fonctionner de la même manière que les “cellules de modèle” trouvé dans le cortex cérébral des primates. Grâce à ces neurones, les rats peuvent s’appuyer sur un système de traitement du mouvement assez avancé, basé sur l’extraction d’informations visuelles de haut niveau à partir d’images rétiniennes.

Telles sont les conclusions d’une nouvelle étude SISSA, récemment publiée dans la revue Avancées scientifiques. Déterminer si le cerveau du rat contient des neurones capables de résoudre le “problème d’ouverture,” Étape essentielle dans la perception précise du mouvement, une équipe dirigée par le professeur Davide Zoccolan a enregistré un groupe spécifique de cellules dans le cortex visuel du rat et analysé leur comportement à l’aide de modèles d’intelligence artificielle pour rendre compte des fonctions des cellules.

Les résultats ont montré que ces neurones possèdent des propriétés comparables à celles du “cellules de modèle” trouvé dans le système visuel des primates. Comprendre les processus qui sous-tendent les fonctions de ces cellules peut être utile non seulement pour élargir notre compréhension du système visuel, mais également pour inspirer le développement de systèmes de vision artificielle innovants.

Cette nouvelle étude prouve à quel point les rats sont d’excellents modèles animaux à cet effet, ainsi que pour étudier la vision et les pathologies qui peuvent l’affecter, comme les troubles neurodégénératifs ou neurodéveloppementaux.

Comment fonctionne la vision du mouvement : le problème de l’ouverture

“Estimer la direction dans laquelle un objet se déplace est un calcul très complexe d’un point de vue perceptuel. Chaque objet est constitué de nombreuses parties différentes, qui peuvent être grossièrement considérées comme un ensemble de segments orientés,” explique le professeur Zoccolan, qui a dirigé l’étude.

Zoccolan continue, “Les neurones aux stades initiaux de notre système visuel sont sensibles à la présence de stimuli visuels dans une très petite partie du champ visuel (leur « champ récepteur »). Cela signifie que chacun d’eux ne peut « voir » à un instant donné qu’un seul de ces segments orientés.”

“Globalement, c’est comme si ces neurones étaient capables de décomposer l’image d’un objet en de nombreux petits composants : un grand nombre de petits segments orientés. Cette décomposition est une étape fondamentale dans le processus effectué par notre système visuel pour interpréter les images collectées par la rétine. Cependant, cela pose un défi lorsqu’il s’agit de percevoir le mouvement.”

“En fait, ces neurones ne peuvent mesurer que la composante de mouvement d’un objet perpendiculaire au contour orienté qu’ils codent. Par exemple, c’est comme si nous regardions notre environnement à travers un petit trou : nous serions incapables de voir le mouvement véritable et complet d’un objet. C’est ce que les experts appellent le « problème d’ouverture ».”

“Pour percevoir avec précision la direction du mouvement d’un objet complexe, les signaux fournis par ces neurones (appelés cellules « composantes ») doivent être traités et intégrés davantage, afin de nous donner une vue complète d’un objet en mouvement. Chez les primates, cette opération se déroule le long du « flux dorsal », qui part du cortex visuel primaire pour atteindre les zones visuelles d’ordre supérieur dans le lobe pariétal, dans une hiérarchie de fonctions de plus en plus sophistiquée,” continue Zoccolan.

Les informations provenant des cellules composantes atteignent ensuite un type de neurone spécialisé dans notre système visuel : les cellules modèles. “Ces cellules peuvent traiter toutes les données entrantes, puis les intégrer pour nous permettre de voir le mouvement de l’objet dans son intégralité,” explique Zoccolan.

Selon AI, les rats disposent également de détecteurs de mouvement globaux spécialisés

“Dans notre étude, nous avons étudié lesquels des neurones visuels corticaux du rat étaient sujets au problème d’ouverture et se comportaient comme des cellules composantes, et lesquels d’entre eux y étaient immunisés et se comportaient comme des cellules modèles.” explique Giulio Matteucci, premier auteur de la recherche.

“Nous avons identifié une petite population de neurones du type motif dans deux zones visuelles différentes du cortex du rat. Cela indique que le cerveau des rongeurs contient également des neurones capables de fournir une vision réaliste des objets en mouvement, de la même manière que dans le cortex des primates.” poursuit le chercheur.

“Et ce, malgré les différences évidentes entre les deux espèces. Chez les rongeurs, ces types de cellules se trouvent en nombre beaucoup plus petit et sont dispersés dans diverses régions du cortex visuel, plutôt que regroupés dans des zones spécifiques, comme c’est le cas chez les primates.”

Comprendre si les cellules observées par l’équipe peuvent réellement être considérées “cellules de modèle,” les chercheurs ont eu recours à l’IA.

“Nous avons travaillé avec des réseaux de neurones artificiels, des modèles d’apprentissage profond capables de reproduire fidèlement différents aspects du comportement des neurones visuels chez les primates,” dit Matteucci. Il explique, “Ce n’est qu’en développant des modèles prédictifs basés sur ces réseaux neuronaux que nous avons pu rendre compte des réponses des cellules à motif de rat. C’est ainsi que nous avons réussi à exclure des hypothèses alternatives et à confirmer qu’il s’agit bien de véritables cellules modèles.”

Pourquoi cette étude est importante

“Notre étude a abouti à plusieurs conclusions intéressantes,” dit le professeur Zoccolan. “Premièrement, nous avons découvert qu’un système visuel beaucoup plus simple que le nôtre et doté d’une structure hiérarchique beaucoup moins profonde peut néanmoins contenir des neurones de haut niveau spécialisés dans le traitement avancé du mouvement. C’est intéressant d’un point de vue comparatif. En outre, cela pourrait déclencher de nouvelles études informatiques et inspirer de nouveaux modèles de vision artificielle.”

Un deuxième point fort de l’étude concerne les perspectives de recherches futures. “Au cours des 15 dernières années, les rongeurs ont été largement utilisés pour étudier le traitement visuel, tant dans des conditions normales que pathologiques. Mais la question qui se pose aux scientifiques de la vision reste la même : dans quelle mesure ces animaux sont-ils de bons modèles pour étudier les fonctions visuelles humaines ?”

“Avec ce travail, nous avons fourni des preuves supplémentaires pour étayer la conclusion selon laquelle le cortex visuel des rongeurs est suffisamment similaire au nôtre pour valoir la peine de l’étudier, tirant ainsi parti de l’extraordinaire gamme d’outils expérimentaux disponibles chez ces espèces pour examiner les circuits neuronaux.”

En fait, les travaux futurs devront étudier en détail le fonctionnement de ces neurones spécialisés chez le rat. Davide Zoccolan conclut : “Nous savons qu’elles se comportent comme des cellules modèles, mais nous ne connaissons pas encore le schéma des circuits neuronaux derrière cette capacité. C’est une question ouverte pour des études futures.”

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