Une équipe de recherche dirigée par l’Université du Michigan a découvert un réseau neuronal qui permet aux drosophiles Drosophila melanogaster de convertir des stimuli externes d’intensité variable en une décision « oui ou non » sur le moment d’agir. La recherche, décrite dans Current Biology, aide à décoder le mécanisme biologique que le système nerveux de la drosophile utilise pour convertir un gradient d’informations sensorielles en une réponse comportementale binaire. Les résultats offrent de nouvelles perspectives qui peuvent être pertinentes pour savoir comment de telles décisions fonctionnent chez d’autres espèces, et pourraient même être appliquées pour aider les machines d’intelligence artificielle à apprendre à catégoriser les informations.
L’auteur principal de l’étude, Bing Ye, PhD, membre du corps professoral de l’Institut des sciences de la vie (LSI) de l’Université du Michigan, pense que le mécanisme découvert pourrait avoir des applications de grande portée. « Il existe une idée dominante dans notre domaine selon laquelle ces décisions sont prises par l’accumulation de preuves, ce qui prend du temps », a déclaré Ye. « Dans le mécanisme biologique que nous avons découvert, le réseau est câblé de telle sorte qu’il n’a pas besoin d’une phase d’accumulation de preuves. Nous ne le savons pas encore, mais nous nous demandons si cela pourrait servir de modèle pour aider l’IA à apprendre à trier les informations plus rapidement. »
Ye et ses collègues décrivent leurs recherches dans un article intitulé « A Neural Basis for Categorizing Sensory Stimuli to Enhance Decision Accuracy. »
Imaginez travailler près d’une fenêtre ouverte. Si le bruit extérieur est faible, il peut être à peine perceptible. Mais au fur et à mesure que le niveau de bruit augmente, il commence à devenir plus perceptible, et finalement, le cerveau prend la décision de se lever et de fermer la fenêtre. Mais comment le système nerveux traduit-il cette augmentation linéaire et progressive de l’intensité en une décision comportementale binaire, « oui/non » ? « Alors que les stimuli sensoriels sont généralement présents dans des gammes d’intensité larges et graduelles, la décision des animaux de répondre ou non à ces stimuli est souvent binaire », notent les auteurs. « Une question fondamentale en neurosciences est de savoir comment ces conversions graduelles en binaires dans la prise de décision perceptive se produisent dans le système nerveux central (SNC). » Comme l’a souligné le neuroscientifique Ye, « c’est une question vraiment importante. Entre l’entrée sensorielle et la sortie du comportement, il y a un peu de ‘boîte noire’. Avec cette étude, nous avons voulu ouvrir cette boîte. »
L’imagerie cérébrale chez l’homme ou d’autres mammifères permet d’identifier certaines régions du cerveau qui répondent à des stimuli particuliers. Mais la grande taille du système nerveux central des mammifères peut être un inconvénient. « Bien que la prise de décision perceptive ait été principalement étudiée chez les mammifères, la grande taille du SNC des mammifères limite la résolution spatio-temporelle dans l’évaluation des activités émergentes à l’échelle du SNC », notent les auteurs. Pour déterminer comment et quand les neurones transforment une information linéaire en une décision non linéaire, ils avaient besoin d’une analyse beaucoup plus profonde et quantitative du système nerveux, a déclaré Ye.
L’équipe a choisi de travailler avec l’organisme modèle qu’est la drosophile, pour lequel les outils génétiques disponibles permettent d’identifier les neurones individuels répondant à des stimuli. En utilisant une technique d’imagerie qui détecte l’activité neuronale par la signalisation calcique entre les neurones, les scientifiques ont pu produire une imagerie 3D de la neuroactivité de l’ensemble du système nerveux central des mouches. » … la petite taille du SNC des larves de drosophile, combinée aux progrès récents des indicateurs calciques génétiquement codés (GECI), permet l’imagerie fonctionnelle de l’ensemble du SNC des larves à une résolution subcellulaire et subsecondaire, ce qui fait des larves de drosophile un modèle idéal pour évaluer l’activité neuronale à l’échelle du SNC dans la prise de décision perceptive « , ont déclaré les chercheurs.
« Ce que nous avons vu, c’est que, lorsque nous stimulons les neurones sensoriels qui détectent les stimuli nocifs, un grand nombre de régions du cerveau s’allument en quelques secondes », a déclaré Yujia Hu, PhD, chercheur au LSI et l’un des principaux auteurs de l’étude. « Mais ces régions du cerveau remplissent différentes fonctions. Certaines traitent immédiatement les informations sensorielles, d’autres déclenchent la sortie comportementale – mais certaines sont davantage destinées à ce processus de transformation qui se produit entre les deux. »
Les études ont montré que lorsque les neurones sensoriels détectent les stimuli externes nocifs, ils envoient des informations aux neurones de second ordre du système nerveux central. On a constaté qu’une région du système nerveux en particulier, appelée noyau médian postérieur, répondait aux informations sensorielles soit en inhibant les signaux moins intenses, soit en amplifiant les signaux plus intenses, ce qui permet de trier efficacement un gradient d’entrées sensorielles en catégories « répond » ou « ne répond pas ».
Les signaux sont ainsi amplifiés par un recrutement accru de neurones de second ordre dans le réseau neuronal – ce que les chercheurs appellent l’amplification graduée. Un stimulus léger peut activer deux neurones de second ordre, par exemple, tandis qu’un stimulus plus intense peut activer 10 neurones de second ordre dans le réseau. Ce réseau plus large peut alors susciter une réponse comportementale.
Mais pour prendre une décision de type « oui/non », le système nerveux a besoin d’un moyen non seulement d’amplifier les informations (pour une réponse « oui »), mais aussi de supprimer les informations inutiles ou moins nuisibles (pour une réponse « non »). « Notre système sensoriel détecte et nous dit beaucoup plus de choses que nous ne le pensons », a déclaré Ye, qui est également professeur de biologie cellulaire et du développement à la faculté de médecine de l’U-M. « Nous avons besoin d’un moyen de faire taire ce système. « Nous avons besoin d’un moyen d’atténuer cette information, sinon nous aurions constamment une amplification exponentielle. »
Utilisant l’imagerie 3D, les chercheurs ont découvert que les neurones sensoriels détectent effectivement les stimuli les moins nocifs, mais que cette information est filtrée par le noyau médian postérieur, par la libération d’un produit chimique qui réprime la communication entre neurones. En effet, le réseau neuronal supprime les signaux neuronaux provoqués par des stimuli nocifs « plus faibles » et amplifie ceux provoqués par des stimuli intenses. « … permettant aux animaux d’ignorer les stimuli faibles et de ne s’échapper qu’en cas de danger réel. »
Ce mécanisme améliore effectivement la précision des décisions des animaux quant à la possibilité de s’échapper ou non de stimuli nocifs. « Dans cette étude, nous identifions un réseau neuronal qui catégorise les stimuli nocifs d’intensité graduelle pour générer des décisions de fuite binaires chez les larves de drosophile, et nous démêlons un mécanisme d’amplification à gated qui sous-tend cette catégorisation binaire », concluent les auteurs. « En répondant aux stimuli nocifs, alors que l’échec des réponses rapides peut causer des dommages, des réponses de fuite excessives à des stimuli négligeables conduiraient à la perte de ressources pour la survie. Le mécanisme d’amplification par porte pourrait réduire les réponses aux stimuli négligeables tout en augmentant les réponses aux stimuli intenses. De cette façon, la précision de la décision de s’échapper des stimuli est améliorée. »