Une nouvelle étude démontre comment notre cerveau synchronise nos perceptions auditives et visuelles

Nous apprenons tous à l’école secondaire que la lumière et le son voyagent à des vitesses très différentes. Si Ie cerveau ne pouvait tenir compte de cette différence, il nous serait très difficile d’identifier la source d’un son, ou de comprendre comment des bruits sont en rapport avec ce que nous voyons.

En fait, et comme bien souvent, notre cerveau nous joue des tours en nous faisant percevoir un son et un object visuel comme synchornes bien que leurs signaux physiques voyagent à des vitesses différentes et que nos circuits cérébraux les traitent à des vitesses également très différentes.

Une de ces astuces cérébrales est la recalibration temporelle, qui manipule notre perception du temps pour améliorer notre impression de synchronisation entre les sons et les images qui se présentent à nous. Une nouvelle étude révèle que cette recalibration repose sur des signaux cérébraux qui s’adaptent constamment à notre environnement sensoriel pour échantillonner, ordonner et associer entre eux les signaux multi-sensoriels que nous recevons.

Des chercheurs du Neuro (Institut & Hôpital Neurologiques de Montréal) à l’université McGill ont recruté des participants afin qu’ils visualisent des flashs lumineux appariés à des sons, avec différents délais entre les deux, et leur ont demandé d’évaluer s’ils percevaient le son et l’image comme simultanés. Cette tâche était réalisée dans un appareil de magnétoencéphalographie (MEG) qui permet de visualiser l’activité cérébrale avec une précision à la milliseconde près. Les paires audio-visuelles changeaient à chaque présentation, avec des délais variables entre le son et l’image, et ce dans un ordre aléatoire.

Les chercheurs se sont aperçus que le jugement de simultanéité entre son et image dépendait fortement du fait que les participants aient perçu un délai ou une synchronie au sein des paires audiovisuelles précédentes. Par exemple, si on nous présente un son suivi par une image à quelques millisecondes d’intervalle et que nous les percevons comme synchrones, nous sommes alors davantage susceptibles de percevoir la prochaine paire audio-visuelle comme synchrone, même si elle ne l’est pas physiquement. Ce type de recalibration temporelle active est un des outils utilisés par notre cerveau afin d’éviter que nous ayons une perception sensorielle distordue ou déconnectée de la réalité, avec des liens de cause à effet difficiles à établir entre informations sonores et visuelles aux célérités physiques et de traitement neuronal distinctes.

Les signaux MEG ont révélé que cette habileté cérébrale particulère était mise en oeuvre par l’interaction entre ondes cérébrales lentes et rapides dans les régions auditives et visuelles du cerveau. Les rythmes cérébraux relativement lents marquent la cadence des variations temporelles de l’excitabilité des circuits cérébraux. Plus cette excitabilité est élevée, plus les signaux d’entrée peuvent être enregistrés et traités facilement par le cerveau.

Les chercheurs du Neuro ont alors proposé un nouveau modèle qui explique le phénomène de recalibration en considérant que les oscillations cérébrales rapides surfent sur les ondes plus lentes pour créer des fenêtres temporelles bien définies permettant de recevoir très précisément et d’ordonner les signaux sensoriels. Par exemple, quand un son est reçu dans la première de ces fenêtres temporelles disponibles dans le cortex auditif, et que de la même façon un signal visuel est reçu dans la première fenêtre du cortex visuel, cette paire audio-visuelle est alors perçue comme synchrone, même si les signaux ne sont pas strictement simultanés. Afin que cela puisse se produire, le cerveau doit ajuster la position temporelle des fenêtres visuelles afin qu’elles soient ouvertes un peu plus tard que les fenêtres auditives, car les signaux visuels parviennent plus tardivement au cortex. Les chercheurs ont découvert que ce délai entre fenêtres auditives et visuelles s’ajuste de manière dynamique en fonction de l’expérience sensorielle récente de chaque participant.

Les données de cette étude ont confirmé que ce nouveau modèle d’intégration dynamique explique comment la perception de simultanéité audio-visuelle propre à chacun est due à des ajustements flexibles de quelques dizaines de millisecondes des ondes cérébrales rapides qui créent ces fenêtres sensorielles.

Dans le spectre de l’autisme ou les troubles du langage, le traitement des informations sensorielles, notamment auditives, est perturbé. Il est en de même pour la schizophrénie, dont les patients subissent parfois une perception altérée de informations sensorielles. Les mécanismes neurophysiologiques de recalibration temporelle pourraient être affectés dans ces syndrômes; leur découverte ouvre donc de nouvelles pistes de recherche prometteuses.

« Ces résulats mettent à jour de nouveaux mécanismes qui permettent au cerveau de s’adapter et de faire des liens entre les informations sensorielles dont nous sommes bombardés en permanence» d’après Sylvain Baillet, chercheur au Neuro et directeur de l’étude. « Pour faire sens de nos environnements complexes, y compris en situation d’interactions sociales, nos circuits cérébraux usent en permanence de mécanismes physiologiques qui permettent de mieux anticiper et de prédire la nature et la temporalité de nos stimulations sensorielles. Cette capacité participe à notre résilience contre l’imprévu et à la construction de représentations mentales de notre environnement. »

Cette étude a été publiée en accès libre par le journal Communications Biology le 11 mai 2021. Elle a été financée par une bourse post-doctorale des Instituts de Recherche en Santé du Canada (IRSC) à la Dre Therese Lennert, auteure principale de l’étude, et par les subventions de recherche du Dr Sylvain Baillet de la part des National Institutes of Health (États-Unis), du Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie, de la Chaire de Recherche du Canada de Dynamiques Neurales des Systèmes Cérébraux des IRSC, la fondation Brain-Canada avec le soutien de Santé-Canada, et le programme Idées Novatrices du Fonds Canadien d’Excellence en Recherche APOGÉE attribué à l’université McGill.

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L'Institut-hôpital neurologique de Montréal – le Neuro – est un chef de file mondial dans les domaines de la recherche sur le cerveau et des soins avancés. Depuis sa création en 1934 par le Dr Wilder Penfield, une sommité en neurochirurgie, il est devenu le plus grand établissement de recherche et de soins cliniques au Canada, et l’un des plus grands sur la scène internationale. Conjuguant recherche, soins aux patients et formation des grands esprits de demain, le Neuro est particulièrement bien placé pour améliorer la connaissance et le traitement des affections du système nerveux. En 2016, il est devenu le premier établissement au monde à adopter sans réserve le concept de science ouverte en créant l’Institut de science ouverte Tanenbaum. Établissement de recherche et d’enseignement de l’Université McGill, l’Institut neurologique de Montréal s’inscrit dans la mission neuroscientifique du Centre universitaire de santé McGill. Pour en savoir plus, consultez le https://www.mcgill.ca/neuro/fr.