La représentation multisensorielle de l`espace dans le cerveau

Article issus des recherches du Pr Duhamel et de son équipe de Lyon (Jean-René Duhamel,
Institut des sciences cognitives, [email protected]).
La représentation multisensorielle de l'espace dans le cerveau
Des chercheurs de l'Institut des sciences cognitives de Lyon (CNRS) en
collaboration avec des chercheurs de l'Université catholique de Louvain et
de l'Université de Rochester, mettent en évidence, à l'aide de modèles
mathématiques, dans Nature Neuroscience du mois de juillet, la capacité
d'un neurone d'une région du cerveau, le cortex pariétal, d'intégrer des
informations spatiales provenant de signaux visuels, sonores, et mécaniques
à la surface du corps. Ces intégrations multisensorielles permettent de
localiser un objet le plus précisément possible à partir d'indices visuels,
mécaniques et auditifs partiels, mais également de prédire au mieux une
entrée sensorielle à partir d'une autre. Un boxeur peut ainsi anticiper
l'impact sur son corps du coup lancé par son adversaire.
Dans le cerveau, le cortex visuel comporte des aires qui répondent de façon spécifique à des aspects
différents du stimulus visuel (couleur, direction du mouvement, reconnaissance des formes). D'autres
aires corticales participent à l'élaboration de la perception visuelle comme le cortex temporal et le
cortex pariétal. Le cortex pariétal évalue les données comme la position du corps et de la cible dans
l'espace grâce aux informations sensorielles qu'il reçoit. Il produit ainsi des modèles internes du
mouvement à effectuer, en amont des cortex prémoteur et moteur.
Des neurones « géomètres » pour localiser les objets dans l'espace
Chaque fois que notre regard se déplace, l'image du monde visuel se redistribue sur la rétine et par
conséquent, sur la carte visuelle corticale (1) . Ainsi selon que notre regard est orienté vers la droite
ou la gauche, un objet stationnaire se situera sur un bord du champ visuel ou sur un autre. En 1997,
l'équipe de Jean-René Duhamel, qui travaillait alors au Collège de France, avait montré, en mesurant
l'activité électrique de cellules nerveuses du cortex pariétal chez le singe, la capacité de ces neurones
à effectuer une combinaison de la carte visuelle corticale avec des informations posturales comme la
position de notre tête et de notre corps, ainsi que celle des yeux dans les orbites. Ce calcul de
coordonnées spatiales permet de localiser un objet dans l'espace dans un répère invariant par
exemple par rapport à la position de la tête, indépendamment de la direction dans laquelle le regard
se porte.
Ce travail laissait toutefois de nombreuses questions en suspens, notamment : comment ces
neurones « géomètres » parviennent-ils à intégrer les informations spatiales extraites des signaux
visuels avec celles provenant d'autres canaux perceptifs ? En effet, le cortex pariétal est une région
du cerveau où convergent, en plus des images visuelles, les impressions que laissent les stimulations
mécaniques à la surface de notre corps, les sons de l'environnement, et les messages produits par
nos propres mouvements dans les organes vestibulaires de l'oreille interne.

Simuler le comportement de milliers de neurones
L'activité électrique des neurones étant non linéaire, il est très complexe d'y additionner ou d'y
soustraire différents signaux électriques. C'est pourquoi les chercheurs ont décidé, pour répondre à
cette question, de faire appel cette fois aux compétences de spécialistes de la modélisation
mathématique afin de pouvoir simuler le comportement de milliers de neurones (et non plus de
dizaines) de façon artificielle et de reproduire certaines propriétés des circuits biologiques.
Les chercheurs et théoriciens ont mené en parallèle des mesures de l'activité électrique dans le
cerveau de singes soumis à des stimulations multisensorielles et des « mesures » de l'activité simulée
au sein d'un réseau de neurones artificiels mimant l'organisation du cortex pariétal. Ces mesures
présentent un double intérêt, permettant d'une part de comparer les activités neuronales réelles à
celles qui émergent des neurones simulés, et d'autre part d'évaluer à un niveau plus global, qui n'est
pas accessible aux mesures in vivo, la capacité du réseau à transformer et représenter correctement
les informations sur la localisation des objets.
Les deux hypothèses avancées par les théoriciens ont été vérifiées expérimentalement.
Premièrement, pour être combinées, les informations sensorielles et posturales convergent sur des
ensembles de cellules au sein d'aires intermédiaires, ces cellules répondant à des combinaisons de
positions de l'objet et de positions du corps. C'est la notion de codage populationnel. Ces populations
sont essentielles pour nouer un véritable dialogue entre les cartes visuelles primaires et les cartes
somatosensorielles(2).
Deuxièmement, les voies de communication nerveuse sont à double sens, et permettent ainsi à
l'information de circuler et recirculer de manière itérative d'une région à l'autre, il s'agit cette fois de la
notion de réseau récurrent. Ce type de réseau est particulièrement intéressant car il permet de réaliser
deux des fonctions les plus fondamentales du cerveau : l'intégration multisensorielle et la prédiction.
En l'occurrence, on peut calculer la localisation la plus probable d'un objet, à partir d'indices visuels et
auditifs partiels comme cela se produit lorsque l'on recherche la personne qui nous appelle au milieu
d'une foule bigarrée et bruyante. Un joueur de football peut ainsi déterminer le point d'impact d'un
ballon se déplaçant sur une trajectoire de collision avec sa tête afin de le dévier, ou un boxeur
anticiper la prochaine attaque de son adversaire.
Les résultats montrent que les données empiriques sont conformes aux prédictions du modèle, même
lorsque ces prédictions ne sont pas intuitives a priori. Par exemple, le modèle prédisait que les cartes
neuronales visuelles et somatosensorielles pouvaient ne pas être dans un alignement parfaitement
congruent, c'est-à-dire qu'elles ne se projettent pas toujours sur le même bord du champ visuel. C'est
effectivement le cas et cette situation ne nuit pas à la capacité du réseau à intégrer correctement les
deux types d'information.

Mieux comprendre les régions équivalentes dans le cerveau humain
Les résultats obtenus sur le cerveau du primate par ces chercheurs sont
particulièrement pertinents pour comprendre le rôle des régions
équivalentes dans le cerveau humain. En effet, les données récentes
d'imagerie cérébrale fonctionnelle chez l'homme confirment l'existence de
multiples subdivisions dans le cortex pariétal qui sont très proches de celles
qui ont été étudiées en détail chez le primate non humain.
Par ailleurs, on sait que des lésions de ces régions, résultant le plus
souvent d'accidents vasculaires cérébraux, provoquent des difficultés dans
l'exécution des gestes et des troubles de l'orientation de l'attention dans
l'espace. Les données de l'imagerie et de la pathologie cérébrales
montrent en outre que le cortex pariétal joue chez l'homme un rôle essentiel
dans la représentation des nombres et dans le calcul, ce qui suggère qu'il
existe une relation étroite entre les mécanismes neuronaux qui nous
permettent de nous orienter dans l'espace et ceux qui nous aident à
manipuler les nombres, autrement dit entre géométrie et arithmétique. Il
semble que cela se vérifie également chez le singe où d'autres données
montrent que la même région du cortex pariétal qui a été étudiée par
l'équipe de Jean-René Duhamel contient des neurones qui sont sensibles à
des quantités numériques.
Ceci suggère l'existence de précurseurs neuronaux de fonctions cognitives
parfois considérées un peu hâtivement comme spécifiquement humaines.
Ces observations soulignent l'importance de procéder à des études
comparatives des bases neuronales des fonctions cognitives chez les deux
espèces en s'aidant de modèles théoriques pour mieux comprendre leur
évolution.
Notes :
(1) Les cartes visuelles corticales résultent de la projection topographique des images perçues
par la rétine dans le cortex visuel
(2) Les cartes somatosensorielles résultent de la projection topographique des surfaces
sensibles corporelles
Références :
1. Avillac, M., Denève, S., Olivier, E., Pouget, A., Duhamel, J.R. Reference frames for
representing visual and tactile locations in parietal cortex. Nature Neuroscience, Jun 12;
[Epub ahead of print], 2005, à paraître dans la version imprimée de Juillet 2005.
2. Duhamel, J.-R., Bremmer, F., Ben Hamed, S., and Graf, W. Spatial invariance of visual
receptive fields in parietal cortex neurons. Nature. 389: 845-848, 1997

Contacts :
Contact chercheur :
Jean-René Duhamel, Institut des sciences cognitives, Tél. : [phone], Mél. :
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Contact presse :
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Jean-Pierre Ternaux, Tél. : [phone], [email protected]