Encodage robuste du mappage stimulus-réponse par les neurones du cortex visuel

Contexte académique

Dans le domaine des neurosciences, le cortex visuel est considéré comme la région centrale pour le traitement des informations visuelles. Selon l’opinion traditionnelle, les neurones du cortex visuel codent principalement des informations liées à la perception, telles que la position, la forme et la couleur des stimuli. Cependant, de plus en plus d’études montrent que l’activité du cortex visuel est également modulée par des facteurs comportementaux tels que l’attention, l’anticipation des récompenses et la mémoire de travail. Ces modulations sont souvent considérées comme étant liées au choix d’informations sensorielles spécifiques pour atteindre des objectifs comportementaux. Cependant, il reste débattu si le cortex visuel participe à l’encodage de variables comportementales plus abstraites, comme les règles de mappage stimulus-réponse.

Les règles de mappage stimulus-réponse désignent les associations entre un stimulus visuel spécifique et une réponse comportementale correspondante. Par exemple, dans une tâche de mémoire de travail spatiale, les sujets doivent se souvenir de la position d’une indication visuelle et effectuer un mouvement oculaire approprié selon les règles de la tâche. Selon l’opinion traditionnelle, ces règles complexes sont principalement encodées par des régions cérébrales avancées comme le cortex préfrontal. Le cortex visuel, quant à lui, serait principalement responsable du traitement des informations sensorielles de bas niveau. Cependant, cette étude prouve expérimentalement que les neurones du cortex visuel encodent non seulement la position du signal mémorisé, mais reflètent également de manière significative les règles de mappage stimulus-réponse pendant une tâche de mémoire de travail spatiale. Cette découverte remet en question les idées traditionnelles et révèle un rôle plus large du cortex visuel dans le contrôle comportemental.

Source de l’article

Cet article a été réalisé conjointement par Donatas Jonikaitis, Ruobing Xia et Tirin Moore, respectivement issus du HHMI et du Département de Neurobiologie de la Faculté de Médecine de l’Université Stanford. L’article a été publié le 24 février 2025 dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), sous le titre “Robust encoding of stimulus–response mapping by neurons in visual cortex”. Cette recherche a bénéficié du soutien financier de plusieurs institutions, notamment des National Institutes of Health (NIH).

Processus de recherche et résultats

Conception de l’étude et processus expérimental

Cette étude a utilisé deux macaques rhésus comme sujets expérimentaux, nommés Monkey AQ et Monkey HB. La conception expérimentale incluait deux types de tâches : la tâche “regarder” (Look Task) et la tâche “éviter” (Avoid Task). Dans ces deux tâches, les singes devaient mémoriser la position d’un indice visuel et effectuer un mouvement oculaire approprié selon différentes règles.

1. Tâche “regarder” : Les singes devaient mémoriser la position de l’indice et, après une période de délai, effectuer un mouvement oculaire vers la cible correspondant à la position de l’indice.
2. Tâche “éviter” : Les singes devaient mémoriser la position de l’indice et, après une période de délai, effectuer un mouvement oculaire vers une cible qui ne correspondait pas à la position de l’indice.

Pendant l’expérience, les chercheurs ont enregistré l’activité neuronale dans la zone V4 du cortex visuel des singes à l’aide d’électrodes linéaires. Dans chaque session expérimentale, le nombre de neurones enregistrés variait entre 16 et 32, avec un total de 1 442 neurones enregistrés.

Résultats expérimentaux

1. Dépendance de l’activité neuronale aux tâches : Dans la tâche “regarder”, les neurones de la zone V4 montraient une activation significative pendant la période de délai, surtout lorsque la position de l’indice était dans le champ récepteur (RF) des neurones. Cependant, dans la tâche “éviter”, l’activité neuronale pendant la période de délai diminuait de manière significative, même en dessous des conditions où l’indice n’était pas dans le RF. Cela indique que l’activité des neurones de la zone V4 pendant la période de délai reflète non seulement la position mémorisée de l’indice, mais dépend également des règles de la tâche.

2. Corrélation de la modulation spatiale : Au début de la présentation de l’indice visuel, la modulation spatiale des neurones de la zone V4 était fortement corrélée entre les deux tâches (r = 0,99, p < 0,001). Cependant, pendant la période de délai, la modulation spatiale entre les deux tâches était significativement négativement corrélée (r = -0,36, p < 0,001). Ce résultat soutient encore davantage que les neurones de la zone V4 encodent les règles de la tâche pendant la période de délai, et non seulement la position mémorisée de l’indice.

3. Analyse de décodage : Les chercheurs ont utilisé un algorithme de machine à vecteurs de support (SVM) pour décoder l’activité des neurones de la zone V4 pendant la période de délai. Les résultats montrent que l’exactitude du décodeur était significativement plus élevée dans la tâche “regarder” que dans la tâche “éviter” (“regarder” : médiane=59,4%, “éviter” : médiane=57,7%, p = 0,014). De plus, les performances du décodeur lors des tests inter-tâches étaient significativement inférieures au hasard, ce qui indique que l’activité des neurones de la zone V4 dépend effectivement des règles de la tâche.

4. Rôle du champ oculaire frontal (FEF) : Pour examiner l’origine de l’activité pendant la période de délai dans la zone V4, les chercheurs ont procédé à une inactivation locale du FEF. Les résultats montrent que l’inactivation du FEF a réduit de manière significative la sélectivité des neurones de la zone V4 pendant la période de délai. Dans la tâche “regarder”, la sélectivité pendant la période de délai a diminué de 31 % (p < 0,001), et de 50 % dans la tâche “éviter” (p < 0,001). Ce résultat soutient le rôle modulateur du FEF sur l’activité des neurones de la zone V4.

Conclusion et signification

Cette étude prouve expérimentalement que les neurones de la zone V4 du cortex visuel encodent non seulement la position mémorisée de l’indice, mais reflètent également de manière significative les règles de mappage stimulus-réponse lors d’une tâche de mémoire de travail spatiale. Cette découverte remet en question l’opinion traditionnelle selon laquelle le cortex visuel est principalement responsable du traitement des informations sensorielles de bas niveau, tandis que des régions cérébrales avancées comme le cortex préfrontal encoderaient des règles comportementales plus abstraites. L’étude révèle également le rôle modulateur du FEF sur l’activité des neurones de la zone V4, confirmant ainsi l’importante influence des signaux moteurs sur l’activité du cortex visuel.

Valeur scientifique et valeur applicative

1. Valeur scientifique : Cette étude offre une nouvelle perspective pour comprendre le rôle du cortex visuel dans le contrôle comportemental, révélant que le cortex visuel participe non seulement au traitement des informations sensorielles, mais joue également un rôle important dans l’encodage des règles comportementales abstraites. Cette découverte contribue à approfondir notre compréhension des fonctions du cortex visuel et ouvre de nouvelles directions pour les futures recherches en neurosciences.

2. Valeur applicative : Les résultats de cette étude pourraient avoir un impact important sur les domaines de l’ingénierie neuronale et de l’intelligence artificielle. Par exemple, dans le développement de systèmes de contrôle visuel basés sur des interfaces cerveau-ordinateur, comprendre comment le cortex visuel encode les règles de mappage stimulus-réponse pourrait aider à concevoir des algorithmes et des modèles plus efficaces.

Points forts de la recherche

1. Découverte importante : L’activité des neurones de la zone V4 pendant la période de délai reflète non seulement la position mémorisée de l’indice, mais dépend également de manière significative des règles de la tâche, avec une activité accrue dans la tâche “regarder” et une activité inhibée dans la tâche “éviter”.

2. Innovation méthodologique : Cette étude utilise des électrodes linéaires pour des enregistrements multicanaux et combine un algorithme SVM pour décoder l’activité neuronale, offrant une analyse précise du codage neuronal.

3. Signification de l’étude : Cette recherche remet en question les opinions traditionnelles et révèle un rôle plus large du cortex visuel dans le contrôle comportemental, fournissant une nouvelle perspective pour comprendre comment le cerveau intègre les informations sensorielles et les règles comportementales.

Autres informations précieuses

Cette étude a également révélé, via des expériences d’inactivation du FEF, le rôle modulateur du FEF sur l’activité des neurones de la zone V4, apportant de nouvelles preuves sur les connexions fonctionnelles entre le cortex préfrontal et le cortex visuel.

Grâce à une conception expérimentale rigoureuse et à une analyse approfondie des données, cette recherche met en évidence le rôle important du cortex visuel dans le contrôle comportemental, offrant de nouvelles perspectives et orientations pour les futures recherches en neurosciences.