Thèmes de recherche de l’axe Cerveau et perception
Plusieurs techniques d’imagerie cérébrale telles que les potentiels évoqués visuels, la magnétoencéphalographie et l’imagerie par résonance magnétique permettent de mieux comprendre les fonctions visuelles, que ce soit chez l’humain ou à partir de modèles animaux. L’axe cerveau et perception mise sur les nouvelles percées technologiques en imagerie compte tenu de son importante contribution à la compréhension des mécanismes qui sous-tendent les processus visuels normaux et pathologiques.
Source: Grinvald 2005
Les exemples de projets décrits ci-dessous font appel à ces techniques modernes auxquelles viennent s’ajouter des approches complémentaires de nature électrophysiologique, psychophysique, pharmacologique, comportementale, neuro-anatomique et biochimique.
Corrélats neurophysiologiques à la perception visuelle
Compte tenu de l’importance du mouvement dans la vie de tous les jours, plusieurs membres de l’axe étudient les voies nerveuses et les structures responsables de l’analyse du mouvement global. Par exemple, l’analyse du flux optique créée lors de la locomotion, impliquant une intégration d’indices locaux, est essentielle au comportement visio-moteur normal des individus et, par conséquence, à leur autonomie dans leur déplacement. Une attention particulière est portée aux mécanismes linéaires et non linéaires impliqués dans la perception du mouvement. Des études d’enregistrements et de stimulations cellulaires visent notamment à comprendre la nature du codage neuronal dans différentes aires visuelles corticales et sous-corticales. Par ailleurs, d’autres travaux sont effectués afin d’étudier les fonctions visuelles (par ex. l’intégrité fonctionnelle, les voies ventrales et dorsales, la vision binoculaire, etc.) chez des individus normaux ou atteints de pathologies telles que l’autisme, la prématurité ou l’amblyopie.
A
B
A) Stimulus visuel optimal (de premier ordre) pour le codage des champs récepteurs selon un modèle linéaire. B) Stimulus (de second ordre) qui ne peut être décodé par un champ récepteur linéaire, nécessitant l’existence de détecteurs non linéaires. Ce type de stimulus est utilisé dans plusieurs études.
Le système visuel peut être étudié par des techniques neuroanatomiques et électrophysiologiques. Cette photo
montre une
cellule amacrine de la rétine chez le rat. Source: Laboratoire de Christian Casanova.
Les chercheurs de l’axe « Cerveau et perception » utilisent des méthodes à la fine pointe de la technologie telle que la stimulation transcrânienne, l’imagerie optique et, plus récemment, l’optogénétique. Cette nouvelle méthode associe l’optique à la génétique afin de stimuler spécifiquement un type cellulaire ou un groupe de neurones. À partir d’une stimulation lumineuse ciblée, il est ainsi possible de cartographier des réseaux neuronaux parmi d’autres, ouvrant ainsi de nouvelles avenues de recherche tant fondamentale que clinique. Il a notamment été démontré chez l’animal que l’optogénétique permet de réactiver la photosensibilité rétinienne en l’absence de photorécepteurs fonctionnels. En effet, grâce à l’insertion d’un pigment photosensible couplé à un ionophore, un faisceau lumineux peut activer les cellules marquées et ainsi conduire le message nerveux au cortex via le nerf optique.
Plasticité neuronale, substitution sensorielle et vision résiduelle
Suite à un traumatisme ou à une lésion, le cerveau visuel peut se réorganiser et permettre ainsi au sujet cérébrolésé de réacquérir certaines fonctions sensorielles. Des travaux s’intéressant à la plasticité cérébrale sont réalisés afin de déterminer la nature des neurones et des voies visuelles qui résistent aux traumatismes et d’étudier les différents facteurs responsables de la survie des neurones du cerveau lésé. Par exemple, plusieurs chercheurs s’intéressent à l’intégrité des cellules ganglionnaires de la rétine après une lésion du nerf optique ou du cortex visuel primaire. L’approche neuroanatomique permettra notamment de déterminer l’action des neurotrophines sur le taux de survie des neurones rétiniens, le type cellulaire de ces derniers et la nature des voies rétinofuges qui survivent. En parallèle, l’approche électrophysiologique nous permettra de déterminer l’état fonctionnel de ces neurones et des voies qui y sont associées. Grâce à ces travaux, nous serons en mesure d’identifier les facteurs qui peuvent expliquer ou favoriser l’établissement de nouvelles connexions cérébrales.
Par ailleurs, des membres de l’axe poursuivent leurs travaux sur les mécanismes qui sous-tendent la substitution sensorielle. Par exemple, de jeunes animaux dont le cortex visuel était lésé à la naissance, donc théoriquement aveugles, peuvent parvenir néanmoins à se diriger visuellement dans un labyrinthe à l’âge adulte. Une manipulation chirurgicale sélective a permis de réorienter les circuits nerveux partant de la rétine vers le cortex auditif ! D’autres études chez l’humain ont montré que les personnes non voyantes avaient des meilleures capacités perceptives, dont la localisation des sons dans l’espace. Il est vraisemblable que le cortex visuel dépourvu d’afférences visuelles intervienne dans cette tâche. Ainsi, il est maintenant clair que les zones du cerveau ne recevant pas leurs messages normaux sont capables de se réorganiser et de participer au contrôle d’autres fonctions sensorielles. Ces travaux pourront nous permettre de favoriser le recrutement de régions corticales considérées, à tort, inactives pour améliorer d’autres fonctions cérébrales.
Des applications cliniques de la substitution sensorielle ont vu le jour au cours des dernières années. Par exemple, il est possible de substituer la perte de la vision par des neurostimulateurs placés sur la langue. Grâce à la plasticité neuronale, les signaux issus des capteurs périphériques transmettent ainsi l’équivalent de la stimulation au cortex visuel. D’autres équipes ont aussi montré qu’une sensation imagée peut être générée par une stimulation sonore.
Rongeurs réalisant un test de discrimination visuelle. Source: www.cerebralmechanics.com
Les membres s’intéressent aussi à l’évaluation des fonctions résiduelles chez des patients cérébrolésés. Des approches psychophysiques sont utilisées pour déterminer la nature des fonctions visuelles épargnées selon l’âge, l’étendue et le site des lésions corticales. Des études basées sur l’imagerie cérébrale sont réalisées afin de déterminer les voies nerveuses impliquées dans le maintien des fonctions visuelles et les régions responsables des mouvements oculaires associés à la vision résiduelle, ainsi que pour documenter les troubles oculomoteurs associés à certaines lésions thérapeutiques (par ex. les patients épileptiques).
Activation des aires visuelles V5, V3 et V3A de l’hémisphère intact suite à la stimulation du champ visuel aveugle d’un patient hémisphérectomisé. Source: Bittar et al. Neurimage 1999.
Vieillissement normal et physiopathologique
Lors du vieillissement, il peut survenir une diminution importante des capacités visuelles. Ces troubles de nature sensorielle mais également cognitive peuvent réduire considérablement l’autonomie de la personne, nécessitant alors des interventions et une prise en charge par l’état et la famille à des coûts considérables. Il est donc important sinon essentiel de connaitre les mécanismes nerveux fondamentaux qui sous-tendent le vieillissement normal et physiopathologique du système visuel (et par extension du cerveau) afin de permettre le développement d’outils diagnostiques et de stratégies thérapeutiques appropriés.
La fonction visuelle des personnes âgées saines est évaluée en profondeur par des approches psychophysiques (incluant des méthodes de réalité virtuelle) et par l’imagerie fonctionnelle (imagerie optique, EEG, MEG et IRMf): la discrimination des formes, des couleurs, du mouvement (particulièrement le flux optique, puisque la locomotion est un facteur important d’autonomie) et la stéréoperception sont étudiées. En parallèle, la fonction visuelle de patients atteints de certaines pathologies est étudiée, en particulier, celles provoquant des dysfonctions attentionnelles et de la négligence visuelle. Ces travaux nous permettront de développer des outils pour améliorer l’apprentissage et la réhabilitation des fonctions visuelles.
Utilisation de la réalité virtuelle pour étudier les capacités visuelles et attentionnelles chez les personnes âgées. Source: Legault , Allard, & Faubert. Front Psychol. 2013;4:323.
Finalement, des travaux sont réalisés afin de déterminer le rôle des neurotransmetteurs et neuromodulateurs dans la fonction visuelle et leur impact dans les déficits sensoriels associés aux maladies dégénératives telles que la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer. Compte tenu du vieillissement de la population, l’incidence des maladies neurodégénératives augmente et il est essentiel de déterminer les mécanismes qui provoquent les pertes sensorielles observées chez ces patients afin de pouvoir développer des outils thérapeutiques permettant d’améliorer leur qualité de vie.