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Notre cerveau ne perçoit pas le monde de manière continue, mais par vagues

**L’ESSENTIEL

  • Même si notre perception visuelle nous semble continue, elle est en réalité saccadée.

  • De nouvelles recherches démontrent que notre perception ne varie pas seulement dans le temps, mais aussi selon la position de l’information dans l’espace.

  • Ces recherches pourraient permettre d’améliorer les interfaces cerveau-machine.

En 1895, le premier film de l’histoire, Sortie d’usine, était projeté à Paris. Cette prouesse a été rendue possible par les frères Lumières, inventeurs du cinématographe, un appareil permettant de présenter 16 images par seconde, une fréquence suffisante pour nous donner une impression de fluidité, de continuité dans les mouvements lorsqu’on regarde le film.

À l’image des caméras vidéo fonctionnant sur la base d’une suite d’instantanés les uns à la suite des autres, notre cerveau prend des instantanés de notre environnement visuel, une dizaine par seconde, analysant le monde qui nous entoure de manière périodique.

Jusqu’au début du XXᵉ siècle, la perception était considérée comme continue. C’est dans les années 1900 que des psychologues expérimentaux (comme William James et Joseph Stroud) proposent l’hypothèse d’une perception périodique. Au cours d’un cycle de 100 millisecondes (ms), notre cerveau est plus réceptif au sommet du cycle : il traite mieux les informations visuelles, comme si tout était plus clair et visible. À l’inverse, lorsqu’il est dans le creux du cycle, les informations visuelles sont moins bien perçues, parfois manquées complètement, comme si elles étaient plongées dans l’ombre (Figure 1).

Figure 1. Notre perception est périodique. L’impression de continuité ressentie en regardant une vidéo est possible grâce à la présentation successive d’images à une fréquence d’au moins 16 images par seconde (16 Hz). Notre cerveau fonctionne sur le même principe. Il analyse notre environnement selon des cycles de 100 millisecondes (fréquence de 10 Hz), avec une perception plus claire au sommet du cycle, et moins précise dans le creux. Fourni par l'auteur

Récemment, nous avons montré dans notre laboratoire que notre perception ne varie pas seulement dans le temps, mais aussi selon la position de l’information dans l’espace. Elle agit comme une vague qui se déplace dans notre champ visuel, rendant certains endroits plus visibles que d’autres selon le moment où la vague les atteint. Lorsqu’une goutte tombe dans de l’eau, elle induit des cercles qui se propagent tout autour du point d’impact. De la même façon, à partir d’un point de référence dans notre environnement, des vagues perceptives se propagent autour de nous. Là où la vague atteint son sommet, notre perception est particulièrement précise. En revanche, dans le creux de la vague, notre perception est limitée (Figure 2).

Figure 2. Les vagues de perception. Lorsqu’une goutte tombe dans de l’eau, elle génère des vagues qui se propagent. Notre perception agit de la même manière. Depuis un point de référence, par exemple à l’endroit où nous portons notre regard, ici, le centre de l’image, des vagues de perception se propagent, avec au pic de ces vagues une vision plus précise qu’au creux. Fourni par l'auteur

Comment montrer l’existence de vagues de perception ?

En laboratoire, nous avons plusieurs outils pour comprendre les mécanismes liant cerveau et perception. On peut utiliser des méthodes pour enregistrer l’activité de notre cerveau et ainsi la relier à nos capacités perceptives. Il est également possible d’utiliser des méthodes de mesure du comportement uniquement. Voici comment nous avons procédé.

Notre cerveau analyse l’environnement visuel à une fréquence d’environ 10 hertz (Hz), en réalisant des instantanés de notre monde environ 10 fois par seconde. Cette fréquence d’échantillonnage varie toutefois selon les individus, généralement entre 8 et 12 Hz. Des chercheurs ont raisonné que si notre perception est cyclique, alors il est vraisemblable que l’activité cérébrale qui sous-tend notre perception est cyclique elle aussi.

De nombreuses expériences ont permis de valider et de confirmer cette théorie : les populations de neurones qui traitent les informations visuelles produisent elles aussi une activité électrique cyclique à 10 Hz. Cette activité, appelée oscillation cérébrale, peut être enregistrée en plaçant des électrodes sur le cuir chevelu (électro-encéphalogramme, EEG). Lorsqu’une information visuelle est présentée au sommet de l’oscillation produite par nos neurones, alors elle est bien perçue, tandis que si elle est présentée au creux, elle est moins bien perçue (Figure 1). Bien que cet article se concentre sur la modalité visuelle, les sensations auditives et tactiles seraient elles aussi traitées de manière périodique plutôt que strictement continue.

Au laboratoire, nous pouvons générer, contrôler, et mesurer les cycles de notre perception. Pour cela, dans une pièce sombre, nous présentons un disque qui clignote à une fréquence de 10 Hz sur un écran d’ordinateur. Cette modulation cyclique du stimulus visuel va produire une activité cérébrale cyclique à la même fréquence, c’est-à-dire une oscillation à 10 Hz. Ainsi, la perception d’information visuelle à proximité du disque clignotant va dépendre du cycle de l’oscillation cérébrale.

Cette manipulation expérimentale nous permet non seulement de mesurer les cycles de notre perception, mais nous pouvons également savoir quelles populations de neurones de notre cerveau entrent en jeu. En effet, les aires cérébrales qui traitent l’information visuelle sont très bien organisées, comme des cartes topographiques de notre champ visuel. Chaque neurone de chaque région visuelle a la mission de traiter une zone précise de notre champ visuel. Comme si notre champ visuel était divisé en milliers de petites cases, chacune gérée par un neurone différent.

Plus important, deux populations de neurones qui sont juste à côté l’une de l’autre dans une région visuelle vont traiter les informations en provenance de deux endroits qui sont juste à côté dans le champ visuel. Ce principe d’organisation est appelé rétinotopie, et grâce à ce principe, nous savons quelles populations de neurones vont suivre l’oscillation du disque clignotant en bas à droite de l’écran (il s’agira des régions visuelles dorsales de l’hémisphère gauche).

Au laboratoire nous pouvons induire une activité cérébrale à une fréquence de 10 Hz, avec une origine précise dans les aires visuelles. La question que nous nous sommes posées est la suivante : les oscillations à 10 Hz induites par le disque dans des neurones spécifiques se propagent-elles aux neurones adjacents comme une vague, à l’image de la goutte qui tombe dans l’eau ?

Prenons deux objets que nous pouvons retrouver sur notre espace de travail : une tasse à café et un clavier d’ordinateur (Figure 2). Si l’activité cérébrale se propage comme une vague, alors à un moment donné, la perception de la tasse à café sera meilleure que celle du clavier ; et l’inverse se produira à un autre moment dans le temps (l’hypothèse alternative où il n’y a pas de vague est présentée en Figure 3). Rappelons que notre perception évolue à une échelle de temps très rapide, de l’ordre d’un millième de seconde. Comme lorsque nous regardons un film, ces variations se produisent si vite que nous n’en avons pas conscience. Pourtant, elles influencent ce que nous voyons à chaque instant.

Nous avons répliqué ce principe en laboratoire. Nous avons présenté à des participants un disque clignotant à une fréquence de 10 Hz, ainsi que des petits points blancs à différentes positions dans l’espace et à différents temps (Figure 4). La tâche des participants est simple, il leur est demandé d’appuyer sur un bouton du clavier lorsqu’un des points est vu. Nos résultats ont montré que la perception n’est pas la même pour les trois points à un moment donné.

En effet, il y a un décalage de 5 ms entre la meilleure perception des points. Par exemple, si la perception est meilleure à 100 ms pour le point 1, elle sera meilleure à 105 ms pour le point 2, et à 110 ms pour le point 3. Ce résultat nous permet de conclure que l’activité cérébrale dans les aires visuelles est dynamique. Elle se propage de son point d’origine vers les autres points à une vitesse de 0,5 m/s, de même que la perception visuelle.

Figure 3. Des vagues ou pas de vagues ? Si notre perception ne fait pas de vagues, à un moment donné, notre cerveau perçoit aussi bien tous les éléments de l’image, alors qu’à un autre moment la perception de tout l’espace est limitée. Fourni par l'auteur

Figure 4.Expérience au laboratoire. Les participants devaient fixer une croix située au centre d’un écran d’ordinateur, tandis qu’un disque clignotant à une fréquence de 10 Hz y était affiché. Ce clignotement induit des oscillations cérébrales à 10 Hz dans les aires visuelles. Lorsqu’un point blanc est présenté au sommet de cette oscillation (phase rouge), il est perçu par le participant. En revanche, lorsqu’il est présenté au creux de l’oscillation (phase bleue), il n’est pas perçu. Fourni par l'auteur

Bien que notre perception semble être périodique, nous avons une impression de continuité visuelle. On ne sait pas encore précisément comment cette continuité émerge. Les mouvements rapides des yeux (les saccades) jouent probablement un rôle important.

Entre deux fixations, le cerveau semble conserver une partie des informations déjà acquises, un phénomène appelé mémoire transsaccadique, afin de maintenir une représentation stable de la scène visuelle. Cette mémoire, associée à l’intégration des informations visuelles au cours du temps, pourrait contribuer à notre impression d’un monde fluide et continu, mais la contribution exacte de ces différents mécanismes reste un sujet de recherche.

Vers des applications dans le domaine des interfaces cerveau-machine

Pendant longtemps, les chercheurs qui étudient la vision se sont principalement intéressés à la manière dont l’activité du cerveau change dans le temps pour expliquer la perception. Nous savons à présent que l’activité cérébrale se propage de manière dynamique à travers le cerveau.

Au-delà de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de notre cerveau, cette connaissance va nous permettre d’améliorer des techniques de réhabilitation pour les patients. Par exemple, les interfaces cerveau-machine permettent de mesurer l’activité cérébrale au niveau des aires motrices de patients para- ou tétraplégiques, pour ensuite envoyer une commande à une prothèse pour réaliser un mouvement. En mesurant l’activité cérébrale au bon moment et au bon endroit, il sera possible de réaliser des mouvements avec une plus grande précision.

Enfin, nous avons réussi à révéler l’aspect dynamique de l’activité cérébrale… sans jamais poser un seul capteur pour enregistrer le signal du cerveau. Par la seule précision de protocoles bien conçus, l’expérimentation comportementale nous permet d’entrevoir les lois qui régissent notre perception. Ainsi, derrière l’apparente simplicité de certaines expériences se cache un véritable pouvoir : celui de révéler, avec finesse, les secrets invisibles de notre cerveau.