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Comment le cerveau crée des cartes du monde extérieur
Pendant une décennie, les scientifiques ont été intrigués par la façon dont les «cartes internes» du cerveau humain sont ancrées dans le monde extérieur. Une nouvelle étude publiée dans la revue La nature tenté de résoudre ce casse-tête.
Les lignes orange de cette illustration représentent les forces agissant sur la carte interne pour produire une géométrie de grille finale asymétrique par rapport à l'environnement.
Crédit d'image: Tor Stensola / Institut Kavli pour la neuroscience des systèmes
Les scientifiques à l'origine de cette nouvelle étude - de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie de Trondheim, en Norvège - ont comparé la carte interne du cerveau à la carte et à la boussole pour relier les lignes de longitude au terrain.
Les lauréats du prix Nobel Edvard Moser et May-Britt Moser avaient précédemment découvert des "cellules de grille" dans le cerveau qui sont la principale référence dans le système de navigation spatiale de notre cerveau. Ces cellules permettent de "remonter" les cartes de grille internes pour nous guider dans la bonne direction. La nouvelle étude aide à expliquer comment ces cartes sont ancrées dans notre environnement.
L’équipe norvégienne a enregistré l’activité des cellules de la grille chez le rat, car les animaux chassaient les miettes de biscuits autour de 1,5 m.2 boîte.
"Nous avons enregistré l'activité de centaines de cellules de la grille", explique Tor Stensola, chercheur à l'Institut Kavli pour la neuroscience des systèmes en Norvège.
"En examinant les informations provenant de plus de 800 cellules de la grille, nous avons remarqué que les modèles de grille étaient généralement orientés dans les mêmes directions", explique Stensola. "Cela était vrai pour tous les animaux étudiés, ce qui suggérait que la carte de grille s’aligne de manière systématique sur son environnement. Les cellules de grille semblaient toutes être ancrées à l’un des murs locaux, mais toujours avec un décalage de quelques degrés. nous avons décidé d'enquêter là-dessus. "
En guise de visualisation, les chercheurs expliquent que si une carte représentée par l'activité des cellules de la grille devait représenter la boîte, elle devrait être identique et alignée à chaque fois que le rat était dans la boîte.
En analysant les données d’enregistrements de l’activité des cellules de la grille dans le cerveau des rats, l’équipe a constaté que ces cartes enregistrées étaient cohérentes et que chaque motif de grille était lié à l’un des murs de la boîte. Cependant, les axes des grilles n'étaient pas parfaitement alignés - ils étaient de travers. L'angle était toujours d'environ 7,5 degrés.
Stensola a fait des calculs et s'est rendu compte qu'il pouvait y avoir une bonne raison pour cet angle particulier:
"Aux angles de 0 et 15 degrés, la carte serait symétrique. En d’autres termes, si elle était parfaitement alignée avec le mur, cela signifierait qu’elle refléterait respectivement l’axe cardinal ou la diagonale de la boîte carrée il est probable que les endroits se mêlent. L'angle de rotation de 7,5 degrés est celui qui minimise la symétrie avec les axes dans l'environnement, minimisant ainsi ce type d'erreurs potentielles. "
Comment l'asymétrie améliore la précision des cartes internes
Plus d'asymétrie a été trouvée dans les grilles. Si la carte était symétrique, le motif serait parfaitement hexagonal - les chercheurs ont plutôt trouvé que les points formaient une ellipse. On a trouvé que cette distorsion des points correspondait «presque parfaitement» à la direction de l'ellipse et à la direction vers laquelle la grille était ancrée.
Encore une fois, les chercheurs fournissent une métaphore visuelle pour expliquer cette distorsion et comment elle déplace des parties d'un objet différemment selon l'endroit. Pensez à pousser un jeu de cartes le long d'une table, disent-ils. La carte du bas reste au même endroit et la carte du dessus sera déplacée le plus, tandis que les cartes du milieu bougeront d'une distance qui reflète sa position dans le deck.
Dans cet esprit, les chercheurs ont émis l’hypothèse que, lorsqu'un animal rencontre un nouvel environnement, son cerveau forme une carte de l’environnement où l’un des axes est parfaitement aligné avec un mur voisin. Progressivement, le mouvement dans l’espace déforme et incline la carte à 7,5 degrés du mur d’ancrage, ce qui crée «une carte stable et robuste avec de faibles risques d’erreur».
Dans les plus grandes boîtes, qui étaient 2,2 m2, les chercheurs ont constaté que les cartes des rats avaient les mêmes asymétries, mais elles se sont maintenant divisées en deux et sont devenues des cartes locales distinctes pour la même boîte, ancrées aux murs opposés.
"C'est toujours un grand sentiment quand nous trouvons la solution à un mystère qui nous a laissé perplexe pendant une décennie", déclare le professeur Edvard Moser, directeur de l'Institut Kavli pour la neuroscience des systèmes. Il croit que les résultats sont importants et peuvent relier différents domaines scientifiques:
"Les résultats nous donnent plus d’indices sur la manière dont nos cartes internes interagissent avec l’environnement. Nous devrons maintenant comprendre en détail comment les informations sur l’orientation des murs et des limites dans les environs atteignent les cartes de la grille et comment ces informations est traité. Peut-être que les cellules frontalières auront la réponse à cela, nous ne le savons pas encore. "
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