Une étude révolutionnaire dévoile comment le cerveau traite les informations sensorielles
Une équipe de chercheurs de l'Instituto de Fisiologia et du Colegio National du Mexique, avec l'aide de l'Université de Liège, a découvert des informations essentielles sur la façon dont le cerveau traite les informations sensorielles et forme la perception. Grâce à des enregistrements électrophysiologiques du deuxième cortex somatosensoriel (S2) et à une analyse et une modélisation mathématiques sophistiquées, l'équipe a révélé le rôle essentiel du S2 dans la perception du toucher.
L'
étude a identifié deux types de signaux distincts dans les neurones S2 : l'un représentant l'information sensorielle brute, non traitée, et l'autre codant les propriétés abstraites du stimulus sensoriel. Ce double mécanisme de signalisation permet au cerveau d'interpréter, de décrire et de classer les stimuli sensoriels sans interférence perturbatrice. L'équipe a découvert un nouveau mécanisme permettant cette coexistence grâce à l'utilisation de représentations multi-neurones dans des sous-espaces orthogonaux dans S2. Cette découverte novatrice met en évidence la capacité du cerveau à activer ou désactiver ces représentations en fonction des besoins contextuels, jetant ainsi la lumière sur les fondements neuronaux de la perception consciente.
"Cette découverte met en lumière les processus neuronaux sophistiqués qui sous-tendent notre capacité à percevoir le monde, explique Alessio Franci, chercheur WELRi au laboratoire d'ingénierie neuromorphique de l'ULiège et co-auteur de l'article publié dans PNAS. Comprendre comment les signaux sensoriels traités et non traités coexistent et sont régulés dans le cerveau offre de nouvelles perspectives sur les systèmes neuronaux biologiques et artificiels".
Les implications de ces résultats sont vastes. Sur le plan biologique, les résultats offrent de nouveaux outils potentiels pour explorer et caractériser les troubles liés à l'attention tels que le trouble du déficit de l'attention avec hyperactivité (TDAH). Sur le plan technique, les connaissances acquises grâce à cette étude pourraient révolutionner la conception de dispositifs de détection intelligents. En imitant l'efficacité du traitement des données sensorielles par le cerveau, ces dispositifs pourraient analyser les données en temps réel directement au niveau du capteur, ce qui réduirait considérablement la consommation d'énergie et la nécessité d'un transfert important de données vers des serveurs cloud.
La contribution de l'ULiège à l'analyse mathématique et à la modélisation a été déterminante dans la découverte de ces mécanismes. Des techniques avancées de réduction de la dimensionnalité ont permis aux chercheurs de discerner les riches structures géométriques au sein des données neuronales, ce qui a conduit au concept de représentations de sous-espaces orthogonaux. Des modèles mathématiques simplifiés ont fourni un cadre permettant de comprendre comment ces représentations neuronales complexes apparaissent, comblant ainsi le fossé entre les comportements neuronaux biologiques et les systèmes d'ingénierie.
"Cet échange interdisciplinaire entre les neurosciences et l'ingénierie inspirée par le cerveau est crucial", reprend le chercheur. "Nos modèles mathématiques permettent non seulement de découvrir les mécanismes biologiques de la perception adaptative, mais aussi d'ouvrir la voie à leur mise en œuvre dans des systèmes artificiels, en améliorant leur adaptabilité, leur efficacité et leur durabilité."
Alors que le Laboratoire de Neuroingénierie de l'ULiège continue d'explorer ces voies, le potentiel d'applications dans le monde réel s'accroît. Qu'il s'agisse de développer des capteurs intelligents pour des applications biomédicales et environnementales ou d'améliorer l'adaptabilité des systèmes d'ingénierie, les résultats de l'étude promettent un avenir où la technologie s'intégrera de manière transparente à l'efficacité biologique.
Cette recherche marque une étape importante dans la compréhension des capacités de traitement complexes du cerveau et ouvre la voie à des innovations qui pourraient transformer les domaines de la médecine et de l'ingénierie.
Référence scientifique
Lucas Bayones, Antonio Zainos, Manuel Alvarez, Ranulfo Romo, Alessio Franci et Román Rossi-Poola, Orthogonalité des dynamiques catégorielles sensorielles et contextuelles intégrées dans un continuum de réponses du second cortex somatosensoriel, PNAS, 11 juillet 2024. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316765121
