Étude du comportement visuel des primates lors de mouvements libres : développement et application d’un système de suivi oculaire innovant

Contexte académique

Le système visuel est l’un des domaines les plus étudiés du système nerveux des primates, en particulier en ce qui concerne les mécanismes des voies visuelles dans le cortex cérébral. Cependant, les recherches actuelles sur la fonction visuelle des primates lorsqu’ils se déplacent librement et explorent leur environnement dans un contexte réel sont très limitées. Ce manque de connaissances est principalement dû à l’absence de technologies capables de suivre avec précision, rapidement et à haute résolution les mouvements oculaires chez les individus en mouvement libre. Les méthodes traditionnelles nécessitent généralement de fixer la tête des animaux en laboratoire, ce qui limite notre compréhension du système visuel des animaux dans leurs comportements naturels. Le développement d’une technologie capable de suivre les mouvements oculaires avec précision sans restreindre la liberté de mouvement des animaux est donc devenu une direction de recherche importante.

Source de l’article

Cet article intitulé “Active vision in freely moving marmosets using head-mounted eye tracking” a été réalisé par Vikram Pal Singh, Jingwen Li, Kana Dawson, Jude F. Mitchell et Cory T. Miller. Les auteurs proviennent respectivement de l’University of California San Diego (Université de Californie à San Diego) et de l’University of Rochester (Université de Rochester). Cette étude a été publiée le 3 février 2025 dans le journal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Processus de recherche

Développement du système de suivi oculaire innovant

Pour étudier le comportement visuel des primates lorsqu’ils se déplacent librement, l’équipe de recherche a développé un système de suivi oculaire sans fil porté sur la tête appelé “Cerebro”. Ce système comprend deux modules principaux : le module porté sur la tête et le module de sac à dos. Le module porté sur la tête inclut un ensemble de caméras fixé à la tête de l’animal pour enregistrer les mouvements oculaires et la scène devant lui. Le module de sac à dos contient des équipements électroniques pour synchroniser les caméras, acquérir des images et stocker des données. Le poids total du système est d’environ 60 grammes, minimisant ainsi son impact sur l’activité de l’animal.

Pour résoudre les interférences de l’éclairage variable dans l’environnement naturel sur le suivi oculaire, l’équipe de recherche a également développé un algorithme de détection de pupille basé sur un réseau neuronal artificiel (Artificial Neural Network, ANN). Cet algorithme utilise un réseau de segmentation sémantique appelé U-Net, capable de détecter précisément la position de la pupille de l’animal dans diverses conditions lumineuses.

Objets d’étude et méthodes

L’étude a utilisé deux jeunes ouistitis communs (marmosets) comme objets d’expérimentation, testés dans deux conditions différentes : tête fixe et mouvement libre. Dans l’état de tête fixe, les animaux étaient attachés à une chaise et exposés à des stimuli visuels présentés sur un écran, tels que des points clignotants ou des gratings en mouvement, pour étudier les caractéristiques de réglage des neurones visuels. Dans l’état de mouvement libre, les animaux étaient placés dans une arène rectangulaire ouverte où ils pouvaient se déplacer librement et explorer l’environnement. Le système Cerebro enregistrait les trajectoires oculaires, les mouvements de tête et corporels des animaux.

Pour vérifier la précision du système, l’équipe de recherche a également effectué des expériences de calibration. Dans l’état de tête fixe, les animaux devaient fixer des images de visages d’ouistitis à différents endroits sur l’écran pour calibrer le système de suivi oculaire. Dans l’état de mouvement libre, les chercheurs utilisaient un laser pour dessiner des formes géométriques sur l’écran, simulant les objectifs visuels des animaux dans leur environnement naturel, afin d’évaluer la précision du système.

Analyse des données

Les chercheurs ont analysé les données des trajectoires oculaires, des mouvements de tête et corporels pour quantifier les caractéristiques du comportement visuel des animaux dans l’état de mouvement libre. En particulier, l’équipe a examiné la stabilité visuelle dans deux états de comportement : l’un où l’animal est assis à un endroit fixe et balaye l’environnement (stationnaire), et l’autre où l’animal se déplace dans l’arène (locomotion). En calculant les coefficients de corrélation entre les mouvements oculaires et de tête, l’équipe a évalué le rôle du réflexe vestibulo-oculaire (VOR) dans la stabilité visuelle.

Principaux résultats

1. Performance du système de suivi oculaire
   La précision du système Cerebro en état de tête fixe atteint 0,05 degré, comparable aux systèmes de suivi oculaire traditionnels à tête fixe (comme l’appareil Arrington). En état de mouvement libre, l’erreur médiane du système reste inférieure à 1 degré, prouvant sa faisabilité dans un environnement naturel.

2. Caractéristiques du comportement visuel
   Dans l’état de mouvement libre, l’amplitude des mouvements oculaires des ouistitis est significativement plus grande que dans l’état de tête fixe, indiquant que l’amplitude des mouvements oculaires en état de tête fixe représente davantage une préférence motrice qu’une limitation physiologique. De plus, malgré l’augmentation des mouvements de tête et oculaires en état de mouvement libre, la stabilité visuelle ne diminue pas, et même s’améliore pendant le mouvement. Ces résultats montrent que les animaux maintiennent la stabilité visuelle en augmentant le gain du réflexe vestibulo-oculaire lors du mouvement.

3. Rôle du réflexe vestibulo-oculaire
   L’étude montre que le réflexe vestibulo-oculaire joue un rôle important en état de mouvement libre, en particulier lorsque l’animal se déplace, les mouvements oculaires et de tête étant négativement corrélés pour compenser les effets du mouvement de la tête sur la stabilité rétinienne. Ce mécanisme est crucial pour le comportement visuel naturel des primates.

Conclusion

Cette étude, grâce au développement d’un système de suivi oculaire porté sur la tête, a permis pour la première fois de quantifier le comportement visuel et l’activité neuronale chez des ouistitis en mouvement libre. Les résultats montrent que les primates maintiennent la stabilité visuelle en coordonnant les mouvements de tête et oculaires, notamment en augmentant la prédictibilité et la stabilité du système visuel lorsqu’ils se déplacent librement. Cette découverte non seulement approfondit notre compréhension du système visuel des primates, mais fournit également une importante base technique et méthodologique pour des études futures sur les mécanismes neuronaux dans des comportements naturels.

Points forts de l’étude

1. Innovation technologique : Cerebro est le premier système capable de suivre les mouvements oculaires avec précision chez des primates en mouvement libre, résolvant les limitations des méthodes traditionnelles dans un environnement naturel.
2. Valeur scientifique : L’étude révèle les caractéristiques du comportement visuel des primates en mouvement libre, en particulier le rôle crucial du réflexe vestibulo-oculaire dans la stabilité visuelle.
3. Perspectives d’application : Ce système peut être utilisé pour étudier le comportement visuel d’autres primates ou d’humains en environnement naturel, offrant un vaste potentiel d’application.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche prévoit d’utiliser ce système pour étudier davantage la perception sociale chez les ouistitis et ses mécanismes neuronaux, en particulier dans un environnement naturel, où le système visuel interagit avec d’autres systèmes sensoriels. De plus, ce système offre de nouvelles possibilités pour l’étude du comportement visuel naturel d’autres animaux, comme les souris et les rats.

Grâce à cette étude, nous pouvons non seulement mieux comprendre le système visuel des primates, mais aussi ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche neuroscientifique future.