La capacité du cerveau à percevoir l’espace à mesure que l’univers s’étend

résumé: Le temps passé dans un nouvel environnement fait croître les représentations neuronales de manière surprenante.

Source: Institut Salik

Les jeunes enfants pensent parfois que la lune les suit ou qu’ils peuvent tendre la main et la toucher. Il semble beaucoup plus proche que proportionnel à la distance réelle. Lorsque nous nous déplaçons dans notre vie quotidienne, nous avons tendance à penser que nous naviguons dans l’espace de manière linéaire.

Mais les scientifiques de Salk ont ​​découvert que le temps passé à explorer l’environnement provoque une croissance surprenante des représentations neuronales.

Résultats publiés dans Neurosciences naturelles le 29 décembre 2022, a montré que les neurones de l’hippocampe essentiels à la navigation spatiale, à la mémoire et à la planification représentent l’espace d’une manière cohérente avec la géométrie hyperbolique non linéaire – une extension tridimensionnelle qui croît de façon exponentielle vers l’extérieur. (En d’autres termes, sa forme ressemble à l’intérieur d’un sablier en expansion.)

Les chercheurs ont également constaté que la taille de cet espace augmentait avec le temps passé dans un lieu. Le volume augmente de manière logarithmique proportionnelle à l’augmentation maximale possible des informations traitées par le cerveau.

Cette découverte offre des pistes intéressantes pour l’analyse des données liées aux troubles neurocognitifs impliquant l’apprentissage et la mémoire, comme la maladie d’Alzheimer.

Notre étude montre que le cerveau ne fonctionne pas toujours de façon linéaire. Au lieu de cela, les réseaux de neurones fonctionnent le long d’une courbe en expansion, qui peut être analysée et comprise à l’aide de la géométrie hyperbolique et de la théorie de l’information », explique le professeur Salk Tatiana Sharpy, titulaire de la chaire Edwin K. Hunter, qui a dirigé l’étude.

« C’était excitant de voir que les réponses neuronales dans cette région du cerveau formaient une carte qui s’étendait de manière expérimentale en fonction du temps consacré à un emplacement particulier. L’effet persistait même avec de légères déviations dans le temps où l’animal courait plus lentement ou plus vite dans l’environnement. »

Le laboratoire de Sharpee utilise des approches informatiques avancées pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. Ils ont récemment été les pionniers de l’utilisation de la géométrie hyperbolique pour mieux comprendre les signaux biologiques tels que les molécules d’odeur, en plus de la perception des odeurs.

Dans l’étude actuelle, les scientifiques ont découvert que la géométrie hyperbolique dirige également les réponses neuronales. Des cartes hyperboliques de molécules et d’événements sensoriels sont visualisées à travers des cartes neuronales hyperboliques.

Les représentations spatiales se sont développées dynamiquement en corrélation avec le temps passé par le rat à explorer chaque environnement. Au fur et à mesure que le rat se déplaçait plus lentement dans l’environnement, il obtenait plus d’informations sur l’espace, ce qui augmentait davantage ses représentations neuronales.

« Les résultats offrent une nouvelle perspective sur la façon dont les représentations neuronales peuvent être modifiées par l’expérience », explique Huanqiu Zhang, un étudiant diplômé du laboratoire de Sharpee.

« Les principes d’ingénierie identifiés dans notre étude pourraient également guider les efforts futurs dans la compréhension de l’activité neuronale dans différents systèmes cérébraux. »

« Vous pourriez penser que la géométrie hyperbolique ne s’applique qu’à une échelle cosmique, mais ce n’est pas vrai », déclare Sharpey.

« Nos cerveaux fonctionnent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, ce qui peut expliquer pourquoi des effets déterministes sont observés sur des espaces perceptibles plutôt que sur des espaces cosmiques. Ensuite, nous aimerions en savoir plus sur la façon dont ces représentations hyperboliques dynamiques se développent dans le cerveau, interagissent et communiquer les uns avec les autres.

D’autres auteurs incluent B. Dylan Rich de l’Université de Princeton et Albert K. Lee est du campus de recherche Janelia du Howard Hughes Medical Institute.

Voir également

À propos de cette recherche d’actualités sur la visualisation spatiale

auteur: bureau de presse
Source: Institut Salik
la communication: Bureau de presse – Institut Salik
photo: Crédits d’image à l’Institut Salk

Recherche originale : libre accès.
« Les représentations spatiales de l’hippocampe montrent une géométrie hyperbolique qui évolue avec l’expériencePar Huanqiu Zhang et al. Neurosciences naturelles

un résumé

Les représentations spatiales de l’hippocampe montrent une géométrie hyperbolique qui évolue avec l’expérience

L’expérience quotidienne suggère que nous percevons des distances linéairement proches de nous. Cependant, la géométrie réelle de la représentation spatiale dans le cerveau est inconnue.

Nous rapportons ici que les neurones de la région CA1 de l’hippocampe du rat qui interviennent dans la perception spatiale représentent l’espace selon une géométrie hyperbolique non linéaire. Cette géométrie utilise une échelle exponentielle et produit plus d’informations de position qu’une échelle linéaire.

Nous avons constaté que la taille de la représentation correspondait aux prédictions optimales du nombre de neurones CA1. Les représentations se sont également développées dynamiquement proportionnellement au logarithme du temps passé par l’animal à explorer l’environnement, correspondant à la quantité maximale d’informations mutuelles pouvant être reçues. Les changements dynamiques ont suivi même de petites différences dues aux changements de la vitesse de course de l’animal.

Ces résultats démontrent comment les circuits neuronaux réalisent des représentations efficaces en utilisant la géométrie hyperbolique dynamique.