Étude neurophysiologique : Étude neurophysiologique de la discrimination d’orientation dans une tâche de mémoire de travail

Contexte de la recherche

La reconnaissance et la mémorisation de l’orientation spatiale de l’environnement sont des composantes essentielles du comportement visuo-spatial. La mémorisation et le rappel précis de ces informations nous aident à nous situer dans l’espace et à réagir de manière adaptative aux changements rapides. Cependant, bien que la mémoire d’orientation ait fait l’objet de nombreuses études, ces dernières se sont principalement concentrées sur les zones visuelles précoces par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour maintenir une description précise des stimuli. Il existe également des informations sporadiques sur la participation de certaines sous-régions du cortex préfrontal. Mais, il manque une étude systématique sur la comparaison des informations d’orientation dans les changements environnementaux et la mémoire. Comprendre ce mécanisme est crucial non seulement pour appréhender les variations rapides des caractéristiques de l’environnement visuel par le système visuel, mais aussi pour dévoiler les systèmes de référence cérébraux qui maintiennent la stabilité de ces informations.

Source de l’étude

Cette étude est intitulée « Neurophysiological Study of Orientation Discrimination in a Working Memory Task », rédigée par E.S. Mikhaylova et N.Yu. Gerasimenko, tous deux de l’Institut des activités nerveuses supérieures et de neurophysiologie de l’Académie des sciences de Russie (Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences). Cet article a été publié en 2023 dans la revue « Human Physiology » (vol. 49, suppl. 1, pp. S1–S12).

Méthodologie

Participants

L’expérience impliquait 33 participants (16 hommes et 17 femmes), âgés en moyenne de 22.57 ± 0.46 ans, tous ayant une vision normale. Tous les participants ont signé un consentement éclairé, conformément à l’approbation du comité d’éthique de l’institut.

Stimuli

L’expérience utilisait des grilles de sinusoïdes en noir et blanc à contraste élevé, avec des angles d’inclinaison de 0° (horizontal), 90° (vertical) et 45°. Chaque stimulus avait une dimension de 5.5 degrés. Pour simuler la comparaison entre de nouvelles informations et celles stockées en mémoire de court terme, différents paires de grilles avec des orientations aléatoires étaient présentées aux participants. Les paires de grilles comprenaient trois orientations identiques (0°–0°, 90°–90° et 45°–45°) et six orientations différentes (0°–90°, 0°–45°, 90°–0°, 90°–45° et 45°–0°, 45°–90°).

Procédure expérimentale

Pendant l’expérience, les participants étaient assis dans une pièce sombre et insonorisée, à une distance de 120 centimètres de l’écran. Les stimuli étaient présentés sur l’écran à l’aide du logiciel E-Prime 2.0. Chaque séquence comprenait les événements suivants : signal vert de 100 ms, point fixe noir (temps aléatoire entre 1500–1700 ms), stimulus de référence de 100 ms, intervalle de 1500–1800 ms (avec point fixe), stimulus de test de 100 ms et intervalle de 3000 ms (point fixe). Chaque paire de stimuli de référence et de test était présentée 30 fois, pour un total de 270 paires de stimuli sur environ 30 minutes. Une pause de 5–7 minutes était prévue au milieu de l’expérience.

Les participants devaient juger si les orientations des stimuli de référence et de test étaient identiques et appuyer sur le bouton correspondant, les réponses correctes et le délai de réponse étant enregistrés.

Enregistrement et analyse des potentiels évoqués (PE)

L’EEG a été enregistré à l’aide d’un dispositif 128-canaux de chez Geodesics, avec un casque HydroCel Geodesic Sensor Net. Les données EEG ont été traitées par le logiciel Netstation version 4.5.4, et les signaux filtrés (0.5–45 Hz) et segmentés en fragments de 1300 ms, y compris une ligne de base de 300 ms durant le stimulus de test. Les segments avec des artéfacts de mouvement oculaire ou d’activité électromyographique ont été supprimés, et les potentiels évoqués (PE) moyens pour chaque participant ont été calculés.

L’analyse s’est concentrée sur les composantes P100 et N150 des régions caudales du cortex dans l’EEG, car ces composantes apparaissent tôt et sont associées au traitement sensoriel.

Analyse

Les variations des composantes des potentiels évoqués dans différentes régions cérébrales (lobes occipital, pariétal et temporal) ainsi que les changements de la composante N240 dans la région frontale ont été analysés par analyse de variance à mesures répétées (RM ANOVA), avec correction de Greenhouse–Geisser et comparaisons multiples corrigées par Newman-Keuls.

Résultats

Indicateurs de performance psychologique

Le temps de réaction (RT) et l’exactitude ont montré que lorsque les orientations des stimuli de test et de référence ne correspondaient pas, le temps de réaction augmentait significativement et la précision était légèrement améliorée, en accord avec les résultats d’autres études. En particulier, les RT étaient plus longs en cas de non-correspondance des orientations, avec une différence notable pour les orientations verticales (p < 0.001).

Analyse des composantes P100 et N150

Pour le traitement des signaux sensoriels, la composante P100 dans le lobe occipital augmentait significativement, qu’il y ait correspondance ou non. De plus, la P100 augmentait également dans les lobes pariétal et temporal, indiquant que des niveaux plus élevés de traitement visuel participent à l’opération de comparaison.

Performance de N240 dans le cortex frontal

La négativité de la composante N240 dans le cortex frontal augmentait significativement en cas de non-correspondance des orientations par rapport aux situations de correspondance (p < 0.0005), indiquant une grande sensibilité du cortex frontal aux différences entre signaux actuels et signaux mémorisés.

Modélisation des sources de distribution

L’enregistrement à haute densité de l’activité évoquée et la modélisation par dipôles ont montré des différences significatives dans la densité de courant dipolaire dans plusieurs régions cérébrales (frontal, occipital, pariétal et temporal) en cas de correspondance ou non. Cela indique que ces régions interviennent non seulement dans les étapes précoces de l’analyse sensorielle mais aussi dans les étapes ultérieures du traitement cognitif.

Discussion et conclusion

Cette étude, en enregistrant des EEG, montre que le cerveau traite et compare les signaux actuels avec ceux mémorisés principalement dans le lobe occipital pour la détection sensorielle précoce, tandis que les lobes pariétal et temporal participent également. Les informations non correspondantes apparaissent finalement dans le cortex frontal, montrant des différences significatives dans des étapes de traitement cognitif plus tardives. Les résultats montrent l’interaction et les mécanismes de transmission de l’information entre différentes régions cérébrales, soulignant l’importance de la collaboration entre les régions frontale et occipitale. Ces découvertes fournissent non seulement un soutien empirique aux théories des mécanismes de mémoire à court terme, mais elles suggèrent également des directions de recherche futures pour explorer les interactions fonctionnelles entre les régions frontales et visuelles.

Cette étude approfondit notre compréhension de la mémoire de travail visuelle et de ses mécanismes neurophysiologiques, ce qui pourrait contribuer à l’amélioration des méthodes d’entraînement cognitif et au développement de nouvelles interfaces cerveau-ordinateur.