Les cerveaux peuvent configurer leur propre système de navigation sans repères

La recherche de Johns Hopkins apporte un nouvel éclairage sur la façon dont les mammifères suivent leur position et leur direction lorsqu’ils se déplacent, révélant que les signaux visuels de mouvement permettent à eux seuls au cerveau d’ajuster et de recalibrer sa carte interne même en l’absence de repères visuels stables. Leurs résultats apparaissent dans Neurosciences normales.

« Lorsque vous vous déplacez dans l’espace, vous disposez de nombreuses informations sensorielles concurrentes vous indiquant où vous êtes et à quelle vitesse vous allez, et votre cerveau doit comprendre cela », a déclaré un co-responsable de l’étude. Noah Cowanprofesseur de génie mécanique à la Whiting School of Engineering et directeur Laboratoire de Mouvement dans les Systèmes Mécaniques et Biologiques (LIMBS).. « Les résultats de notre étude montrent qu’il est surprenant que le cerveau puisse effectuer ce processus de recalibrage constant sans repères externes évidents pour nous dire où nous sommes. Le cerveau peut ajuster sa sensation interne de vitesse grâce à sa carte spatiale à partir de preuves provenant uniquement du flux optique. : les modèles de mouvement visuel que les individus perçoivent lorsqu’ils se déplacent dans l’espace.

Cowan a collaboré au projet avec James Knierimprofesseur de neurosciences au Krieger College of Arts and Sciences Institut de l’esprit et du cerveau de Zanville Krieger Et le Institut Kavli pour la découverte des neurosciences Chez Johns Hopkins.

Les chercheurs savent que, par exemple, lorsqu’une personne traverse un tunnel recouvert de marqueurs, son cerveau détecte la vitesse à laquelle les marqueurs semblent se déplacer, l’aidant ainsi à estimer la distance parcourue et leur position relative dans l’espace. Ils ont cherché à déterminer si la modification de la vitesse des marquages ​​pour piétons ou la suppression des marquages ​​affecterait de manière significative la réponse du cerveau.

« Nous voulions en savoir plus sur les mécanismes par lesquels notre cerveau calcule la distance parcourue uniquement avec les informations de vitesse », a déclaré Cowan. Les neurones de l’hippocampe s’allument comme le point bleu GPS de votre téléphone. Nous avons émis l’hypothèse qu’il existe une relation entre le flux optique et la mise à jour du point bleu. pourrait être recalibré en réalité virtuelle – et nous avons constaté que c’était possible.

Knierim a expliqué que les chercheurs visent à déterminer s’ils peuvent contrôler de manière fiable le sens de localisation d’un rat de laboratoire sur sa carte cognitive en modifiant artificiellement la quantité de flux visuel qu’il reçoit dans un système de réalité virtuelle.

« Nous avons découvert qu’en utilisant les principes de la théorie du contrôle, nous pouvons contrôler avec précision la carte cognitive en utilisant uniquement les signaux du flux optique, démontrant que cette entrée, hypothétique depuis longtemps, est effectivement utilisée par le système d’intégration du chemin du rat », a déclaré Knierim.

L’équipe a construit un dôme de réalité virtuelle et affiché des lignes lumineuses sur ses murs. Les souris ont été attirées par des gouttes de lait chocolaté pour se promener autour du dôme. Ces lignes étaient destinées à servir de guide subliminal sur la vitesse et la position générale du rongeur dans l’espace. Lorsque l’équipe a ajusté les lignes pour qu’elles tournent dans la direction opposée lorsque les souris faisaient un pas, la réponse hippocampique des animaux a indiqué qu’ils pensaient qu’ils se déplaçaient deux fois plus vite et que leur sens de localisation était faussé. Après un certain temps, lorsque les lignes ont été éteintes, les chercheurs ont découvert que les souris se voyaient toujours se déplacer plus vite qu’elles ne l’étaient en réalité.

On sait déjà que le cerveau des mammifères utilise l’emplacement des points de repère les uns par rapport aux autres pour déterminer l’emplacement et calibrer la vitesse approximative, a déclaré Cowan. Ce qu’on ne savait pas, c’était si le cerveau des mammifères recalibrerait sa vitesse grâce à sa carte mentale en l’absence de tout repère.

« La façon dont votre cerveau se recalibre en l’absence de repères, et le fait qu’il le fasse, n’était pas connue auparavant, et nous l’avons montré dans cette recherche », a-t-il déclaré.

Les résultats de l’étude fournissent des informations précieuses dans deux domaines clés. Premièrement, ils mettent en lumière le fonctionnement de l’hippocampe chez les mammifères, une zone du cerveau responsable de la maladie d’Alzheimer et d’autres démences, et deuxièmement, la recherche répond à une question de longue date sur la biologie fondamentale de la façon dont les animaux naviguent dans le monde. .

« Le système de navigation étant étroitement lié au système de mémoire du cerveau, nous espérons que comprendre comment ces cartes cognitives sont créées permettra de comprendre comment la mémoire est altérée au cours du vieillissement et de la démence », a déclaré Knierim.

Mais ces résultats ont également des implications pour la robotique. Cette découverte pourrait également éclairer le développement d’algorithmes d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique conçus pour intégrer des informations visuelles aux représentations de l’espace, ouvrant ainsi la voie à des systèmes cognitifs incarnés, a noté Cowan.

Les co-auteurs principaux de l’étude étaient Manu Madhav, maintenant à l’Université de la Colombie-Britannique, et Ravi Jayakumar, chercheur postdoctoral dans les laboratoires Knierim et Cowan.