Faites attention ! le cerveau utilise des filtres, pas un projecteur

Un circuit cérébral qui supprime les informations sensorielles distrayantes contient des indices importants sur l'attention et d'autres processus cognitifs.

Nous ne nous occupons que d'une fraction des données sensorielles dont nous disposons. De nouveaux résultats aident à expliquer comment le cerveau filtre à tout moment les sensations les moins intéressantes pour lui.

Nous pouvons choisir une conversation dans une pièce bruyante, au milieu de la montée et de la chute d'autres voix ou du bourdonnement d'un climatiseur. Nous pouvons repérer un jeu de clés dans une mer de fouillis, ou enregistrer un raton laveur se précipitant sur le chemin de notre voiture en marche. D'une certaine manière, même avec des quantités massives d'informations inondant nos sens, nous pouvons nous concentrer sur ce qui est important et agir en conséquence.

Les processus attentionnels sont la façon dont le cerveau met en lumière les stimuli pertinents et filtre les autres. Les neuroscientifiques veulent déterminer les circuits qui visent et alimentent ce projecteur. Pendant des décennies, leurs études ont tourné autour du cortex, la structure repliée à l'extérieur du cerveau généralement associée à l'intelligence et à la cognition d'ordre supérieur. Il est devenu clair que l'activité dans le cortex stimule le traitement sensoriel pour améliorer les caractéristiques d'intérêt.

Mais maintenant, certains chercheurs tentent une approche différente, étudiant comment le cerveau supprime les informations plutôt que comment il les augmente. Peut-être plus important encore, ils ont constaté que ce processus implique des régions plus anciennes beaucoup plus profondes dans le cerveau - des régions qui ne sont pas souvent prises en compte en matière d’attention.

Ce faisant, les scientifiques ont également commencé par inadvertance à faire de petits pas vers une meilleure compréhension de la façon dont le corps et l'esprit - à travers des expériences sensorielles automatiques, des mouvements physiques et une conscience de niveau supérieur - sont profondément et inextricablement liés.

Chasse aux circuits

Pendant longtemps, parce que l'attention semblait si intimement liée à la conscience et à d'autres fonctions complexes, les scientifiques ont supposé que c'était d'abord et avant tout un phénomène cortical. Un départ important de cette ligne de pensée est intervenu en 1984, lorsque Francis Crick, connu pour ses travaux sur la structure de l'ADN, a proposé que le projecteur attentionnel soit contrôlé par une région profonde du cerveau appelée le thalamus, dont certaines parties reçoivent des informations de domaines sensoriels et fournir des informations au cortex. Il a développé une théorie dans laquelle le thalamus sensoriel a agi non seulement comme une station relais, mais aussi comme un portier - pas seulement un pont, mais un tamis - en arrêtant une partie du flux de données pour établir un certain niveau de concentration.

Mais des décennies se sont écoulées et les tentatives pour identifier un mécanisme réel se sont avérées peu fructueuses - notamment en raison de la difficulté énorme à établir des méthodes pour étudier l'attention chez les animaux de laboratoire.

Cela n'a pas empêché Michael Halassa, neuroscientifique au McGovern Institute for Brain Research du Massachusetts Institute of Technology. Il voulait déterminer exactement comment les entrées sensorielles étaient filtrées avant que les informations n'atteignent le cortex, pour déterminer le circuit précis qui impliquait le travail de Crick.

Il a été attiré par une fine couche de neurones inhibiteurs appelée noyau réticulaire thalamique (TRN), qui s'enroule autour du reste du thalamus comme une coquille. Au moment où Halassa était chercheur postdoctoral, il avait déjà trouvé un niveau de déclenchement grossier dans cette zone du cerveau: le TRN semblait laisser passer les entrées sensorielles lorsqu'un animal était éveillé et attentif à quelque chose dans son environnement, mais il les supprimait lorsque le l'animal dormait.

En 2015, Halassa et ses collègues ont découvert un autre niveau de déclenchement plus fin qui impliquait davantage le TRN dans le cadre du circuit tant recherché de Crick - impliquant cette fois comment les animaux sélectionnent ce sur quoi se concentrer lorsque leur attention est divisée entre différents sens. Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé des souris formées pour fonctionner comme indiqué par des lumières clignotantes et des tonalités audio de balayage. Ils ont ensuite présenté simultanément aux animaux des commandes contradictoires des lumières et des tons, mais les ont également repérés sur le signal à ignorer. Les réponses des souris ont montré à quel point elles concentraient efficacement leur attention. Tout au long de la tâche, les chercheurs ont utilisé des techniques bien établies pour interrompre l'activité dans diverses régions du cerveau afin de voir ce qui interférait avec les performances des animaux.

Comme prévu, le cortex préfrontal, qui émet des commandes de haut niveau vers d'autres parties du cerveau, était crucial. Mais l'équipe a également observé que si un essai exigeait que les souris s'occupent de la vision, l'activation des neurones dans le TRN visuel interférait avec leurs performances. Et lorsque ces neurones ont été réduits au silence, les souris ont eu plus de difficulté à prêter attention au son. En effet, le réseau tournait les boutons sur les processus inhibiteurs, pas excitateurs, avec les informations inhibitrices de TRN que le cortex préfrontal jugeait distrayantes. Si la souris avait besoin de prioriser les informations auditives, le cortex préfrontal a dit au TRN visuel d'augmenter son activité pour supprimer le thalamus visuel - en supprimant les données visuelles non pertinentes.

La métaphore du projecteur attentionnel était en arrière:

le cerveau n'éclairait pas la lumière sur les stimuli d'intérêt; il baissait les lumières sur tout le reste. Malgré le succès de l'étude, les chercheurs ont reconnu un problème. Ils avaient confirmé l'intuition de Crick: le cortex préfrontal contrôle un filtre sur les informations sensorielles entrantes dans le thalamus. Mais le cortex préfrontal n'a pas de connexion directe avec les parties sensorielles du TRN. Une partie du circuit manquait.

Jusqu'à maintenant. Halassa et ses collègues ont finalement mis en place le reste des pièces, et les résultats révèlent beaucoup sur la façon dont nous devrions aborder l'étude de l'attention.

Obscurcir, obscurcir, clignoter

Avec des tâches similaires à celles utilisées en 2015, l'équipe a sondé les effets fonctionnels des différentes régions du cerveau les uns sur les autres, ainsi que les connexions neuronales entre elles. Le circuit complet, ont-ils découvert, va du cortex préfrontal à une structure beaucoup plus profonde appelée les noyaux gris centraux (souvent associés au contrôle moteur et à une foule d'autres fonctions), puis au TRN et au thalamus, avant de finalement remonter vers le haut. régions corticales. Ainsi, par exemple, lorsque des informations visuelles passent de l'œil au thalamus visuel, elles peuvent être interceptées presque immédiatement si elles ne sont pas pertinentes pour la tâche donnée. Les noyaux gris centraux peuvent intervenir et activer le TRN visuel pour éliminer les stimuli externes, conformément à la directive du cortex préfrontal.

«C'est une voie de rétroaction intéressante, qui, je pense, n'a pas été décrite auparavant», a déclaré Richard Krauzlis, neuroscientifique au National Eye Institute des National Institutes of Health du Maryland, qui n'a pas participé à cette étude.

De plus, les chercheurs ont découvert que le mécanisme ne se contente pas de filtrer un sens pour en faire prendre conscience: il filtre également les informations dans un seul sens. Lorsque les souris ont été repérées pour prêter attention à certains sons, le TRN a aidé à supprimer le bruit de fond non pertinent dans le signal auditif. Les effets sur le traitement sensoriel "peuvent être beaucoup plus précis que la simple suppression de toute la région thalamique pour une modalité sensorielle, qui est une forme de suppression plutôt brutale", a déclaré Duje Tadin, neuroscientifique à l'Université de Rochester.

«Nous négligeons souvent la façon de nous débarrasser des choses qui sont moins importantes», a-t-il ajouté. «Et souvent, je pense que c'est une manière plus efficace de traiter les informations.» Si vous êtes dans une pièce bruyante, vous pouvez essayer de faire entendre votre voix - ou vous pouvez essayer d'éliminer la source du bruit. (Tadin étudie ce type de suppression de fond dans d'autres processus qui se produisent plus rapidement et automatiquement que l'attention sélective.)

Les découvertes de Halassa indiquent que le cerveau rejette les perceptions étrangères plus tôt que prévu. "Ce qui est intéressant", a déclaré Ian Fiebelkorn, neuroscientifique cognitif à l'Université de Princeton, "le filtrage commence à cette toute première étape, avant même que les informations n'atteignent le cortex visuel."

Il y a cependant une faiblesse évidente dans la stratégie du cerveau de diffuser des informations sensorielles de cette manière - à savoir, le danger que les perceptions abandonnées soient d'une importance inattendue. Les travaux de Fiebelkorn suggèrent que le cerveau a un moyen de se protéger contre ces risques.

Lorsque les gens pensent au projecteur de l'attention, dit Fiebelkorn, ils le voient comme un faisceau constant et brillant qui illumine où un animal doit diriger ses ressources cognitives. Mais «ce que mes recherches montrent, c'est que ce n'est pas vrai», a-t-il dit. "Au lieu de cela, il semble que le projecteur clignote."

Selon ses résultats, la focalisation du projecteur attentionnel semble s'affaiblir environ quatre fois par seconde, probablement pour empêcher les animaux de rester trop concentrés sur un seul endroit ou stimulus dans leur environnement. Cette suppression très brève de ce qui est important donne un coup de pouce indirect aux autres stimuli périphériques, créant une opportunité pour le cerveau de déplacer son attention sur autre chose si nécessaire. "Le cerveau semble être câblé pour être périodiquement distrait", a-t-il déclaré.

Fiebelkorn et ses collègues, comme l’équipe de Halassa, se tournent également vers les régions sous-corticales pour expliquer ce câblage. Pour l'instant, ils ont étudié le rôle d'une autre section du thalamus, mais ils envisagent également de se pencher sur les noyaux gris centraux à l'avenir.

Ancrer la cognition en action

Ces études marquent un changement critique: les processus attentionnels étaient autrefois compris comme la seule province du cortex. Mais selon Krauzlis, au cours des cinq dernières années, «il est devenu un peu plus évident qu'il se passe des choses sous le cortex».

«La plupart des gens veulent que le cortex cérébral fasse tout le travail lourd pour nous, et je ne pense pas que ce soit réaliste», a déclaré John Maunsell, neurobiologiste à l'Université de Chicago.

En fait, la découverte par Halassa du rôle des noyaux gris centraux dans l’attention est particulièrement fascinante. C’est en partie parce qu’il s’agit d’une zone cérébrale si ancienne, qui n’est généralement pas considérée comme une partie de l'attention sélective. "Les poissons ont ça", a déclaré Krauzlis. "Pour en revenir aux premiers vertébrés, comme la lamproie, qui n'a pas de mâchoire" - ou un néocortex, d'ailleurs - "ils ont essentiellement une forme simple de noyaux gris centraux et certains de ces mêmes circuits." Les poissons " les circuits neuronaux peuvent fournir des indices sur l'évolution de l'attention.

Halassa est particulièrement intrigué par ce que le lien entre l'attention et les noyaux gris centraux pourrait révéler sur des conditions telles que le trouble d'hyperactivité avec déficit de l'attention et l'autisme, qui se manifestent souvent par une hypersensibilité à certains types d'intrants.

Mais peut-être le point le plus profondément intéressant à propos de l'implication des noyaux gris centraux est que la structure est généralement associée au contrôle moteur, bien que la recherche l'ait de plus en plus impliquée dans l'apprentissage basé sur les récompenses, la prise de décision et d'autres types de comportement basés sur la motivation. .

L'expérience consciente doit être étroitement liée aux actions.

Avec le travail effectué dans le laboratoire de Halassa, le rôle des noyaux gris centraux a maintenant été étendu pour inclure également le contrôle sensoriel. Cela met en évidence le fait que «l'attention est vraiment de séquencer de ceci à cela dans le bon ordre et de s'assurer que vous ne vous laissez pas distraire par des choses qui ne devraient pas vous distraire», a déclaré Maunsell. «L'idée que les structures motrices sont impliquées dans cela… est appropriée, en quelque sorte - qu'elles devraient être au cœur du processus de décision de ce que vous allez faire ensuite, sur quoi vous concentrerez vos ressources sensorielles ensuite.»

Cela correspond à une vision naissante de l'attention - et de la cognition dans son ensemble - en tant que processus basés sur ce que l'on appelle l'inférence active. Le cerveau n’échantillonne pas passivement les informations de l’environnement, puis répond aux stimuli externes observés. L'inverse se produit également, avec des mouvements du corps aussi petits que le scintillement d'un œil guidant également la perception. Les systèmes sensoriels et moteurs «ne fonctionnent pas indépendamment, et ils ont évolué ensemble», a déclaré Fiebelkorn. Et donc les régions motrices n’aident pas seulement à façonner la production (comportement d’un animal); ils aident également à façonner l'entrée. Les conclusions de Halassa renforcent encore ce rôle plus proactif.

«La perception sert l'action, parce que nous devons représenter le monde pour y agir», a déclaré Heleen Slagter, spécialiste des sciences cognitives à l'Université VU d'Amsterdam. «La façon dont nous apprenons à percevoir le monde qui nous entoure passe beaucoup par l'action.» Le niveau élevé d'interconnexion avec le cortex suggère que, même au-delà de l'attention, «ces structures sous-corticales jouent un rôle beaucoup plus important dans la cognition d'ordre supérieur que je ne le pense. est souvent considéré. "

REFERENCES

D'après un article de Jordana Cepelewicz