Nouvelles découvertes sur l’intégration multisensorielle dans le cerveau

Depuis longtemps, il est connu que la stimulation de deux sens simultanément, comme la vue et l’ouïe, peut entraîner des réponses améliorées par rapport à celles observées lorsqu’un seul sens est sollicité. Par exemple, une proie potentielle qui reçoit des indices visuels et sonores indiquant qu’elle est sur le point d’être attaquée par un serpent a de meilleures chances de survie. La manière dont les différents sens s’intègrent et interagissent dans le cerveau a fasciné les neuroscientifiques pendant des décennies. De nouvelles recherches menées par une collaboration internationale entre l’Université de Rochester et une équipe de recherche à Dublin, en Irlande, viennent d’apporter des éclairages clés sur ce processus.

“Tout comme l’intégration sensorielle, il est parfois nécessaire d’intégrer les humains,” a déclaré John Foxe, PhD, directeur de l’Institut Del Monte pour les neurosciences à l’Université de Rochester et co-auteur de l’étude démontrant comment l’intégration multisensorielle se produit dans le cerveau. Ces découvertes ont été publiées dans Nature Human Behaviour aujourd’hui. “Cette recherche s’appuie sur des décennies d’études et d’amitié. Parfois, les idées ont besoin de temps pour mûrir. Il existe un rythme en science, et cette recherche en est un parfait exemple.”

Simon Kelly, PhD, professeur à l’University College Dublin, a dirigé l’étude. En 2012, son laboratoire a découvert une méthode pour mesurer les informations relatives à une décision qui s’accumulent au fil du temps dans le cerveau en utilisant un signal électroencéphalographique (EEG). Cette avancée a suivi des années de recherche qui ont préparé le terrain pour ce travail. “Nous étions idéalement positionnés pour aborder cette question,” a déclaré Kelly. “Plus nous en savons sur l’architecture cérébrale fondamentale sous-jacente à de tels comportements élémentaires, mieux nous pouvons interpréter les différences dans les comportements et signaux associés à ces tâches chez des groupes cliniques et concevoir des diagnostics et traitements informés mécanistiquement.”

Les participants à l’étude ont été invités à observer une animation simple de points tout en écoutant une série de tonalités, et à appuyer sur un bouton lorsqu’ils remarquaient un changement dans les points, les tonalités ou les deux. Grâce à l’EEG, les scientifiques ont pu déduire que lorsque des changements se produisent à la fois dans les points et les tonalités, les processus décisionnels auditifs et visuels s’opèrent en parallèle avant de converger dans le système moteur. Cela a permis aux participants d’accélérer leurs temps de réaction. “Nous avons constaté que le signal d’accumulation EEG atteignait des amplitudes très différentes selon que les cibles auditives ou visuelles étaient détectées, indiquant qu’il existe des accumulateurs auditifs et visuels distincts,” a ajouté Kelly.

En utilisant des modèles informatiques, les chercheurs ont ensuite tenté d’expliquer les schémas de signaux de décision ainsi que les temps de réaction. Dans un modèle, les accumulateurs auditifs et visuels rivalisent pour déclencher une réaction motrice, tandis que l’autre modèle intègre les accumulateurs auditifs et visuels avant d’envoyer l’information au système moteur. Les deux modèles fonctionnaient jusqu’à ce que les chercheurs ajoutent un léger retard à l’un des signaux audio ou visuels. À ce moment-là, le modèle d’intégration s’est révélé beaucoup plus efficace pour expliquer l’ensemble des données, suggérant qu’au cours d’une expérience multisensorielle (audiovisuelle), les signaux de décision peuvent commencer sur leurs propres pistes spécifiques aux sens, puis s’intégrer lors de l’envoi d’informations vers les zones du cerveau responsables du mouvement.

Cette recherche fournit un modèle concret de l’architecture neuronale par laquelle se prennent des décisions multisensorielles. Elle clarifie que des processus décisionnels distincts collectent des informations provenant de différentes modalités, mais que leurs résultats convergent vers un seul processus moteur où ils se combinent pour répondre à un critère d’action unique.

Simon Kelly, PhD, Professeur, University College Dublin

L’Importance de la Science Collaborative

Dans les années 2000, le laboratoire de neurophysiologie cognitive de Foxe, alors situé au City College de New York, a accueilli de nombreux jeunes chercheurs, dont Kelly et Manuel Gomez-Ramirez, PhD, professeur assistant en sciences cérébrales et cognitives à l’Université de Rochester et co-auteur de l’étude publiée aujourd’hui. C’est dans ce contexte que Kelly a effectué son post-doctorat, découvrant pour la première fois l’intégration multisensorielle et les outils utilisés pour évaluer la détection audiovisuelle. Gomez-Ramirez, qui était doctorant dans le laboratoire à l’époque, a conçu une expérience pour comprendre l’intégration des entrées auditives, visuelles et tactiles.

“Nous avons tous les trois entretenu des amitiés au fil des années, malgré nos parcours très différents,” a déclaré Foxe. “Mais nous sommes unis par un intérêt commun à répondre à des questions fondamentales sur le cerveau. Lorsque nous nous réunissons, nous discutons de ces sujets, nous échangeons des idées, et six mois plus tard, une nouvelle perspective émerge. C’est un bon exemple de la façon dont la science fonctionne parfois sur un horizon temporel plus long.”

Les autres auteurs de l’étude incluent le premier auteur, John Egan, de l’University College Dublin, et Redmond O’Connell, PhD, du Trinity College de Dublin. Cette recherche a bénéficié du soutien de la Science Foundation Ireland, du Wellcome Trust, du European Research Council Consolidator, ainsi que de l’Institue National de la Santé Mentale.

Bon à savoir : L’intégration multisensorielle peut avoir des applications significatives dans les domaines de la réhabilitation et de l’éducation, en améliorant la manière dont les informations sont perçues et traitées par les individus, en particulier ceux ayant des troubles sensoriels ou cognitifs.