Un réseau informatique étroitement modelé sur une partie du cerveau humain permet de nouvelles connaissances sur la façon dont notre cerveau traite les images en mouvement – et explique certaines illusions d’optique déroutantes.
En utilisant des décennies de données provenant d’études sur la perception du mouvement humain, les chercheurs ont formé un réseau de neurones artificiels pour estimer la vitesse et la direction des séquences d’images.
« Il est très difficile de mesurer directement ce qui se passe à l’intérieur du cerveau humain lorsque nous percevons un mouvement – même notre meilleure technologie médicale ne peut pas nous montrer l’ensemble du système à l’œuvre. Avec MotionNet, nous avons un accès complet. – Reuben Rideaux
Le nouveau système, appelé MotionNet, est conçu pour correspondre étroitement aux structures de traitement du mouvement à l’intérieur d’un cerveau humain. Cela a permis aux chercheurs d’explorer des caractéristiques du traitement visuel humain qui ne peuvent pas être directement mesurées dans le cerveau.
Leur étude, publiée dans le Journal de la vision, utilise le système artificiel pour décrire comment les informations spatiales et temporelles sont combinées dans notre cerveau pour produire nos perceptions, ou perceptions erronées, des images en mouvement.
Le cerveau peut être facilement dupé. Par exemple, s’il y a un point noir sur la gauche d’un écran, qui s’estompe alors qu’un point noir apparaît à droite, nous allons « voir » le point se déplacer de gauche à droite – c’est ce qu’on appelle le mouvement « phi ». Mais si la tache qui apparaît à droite est blanche sur un fond sombre, nous « voyons » la tache se déplacer de droite à gauche, dans ce que l’on appelle le mouvement « phi inversé ».
Les chercheurs ont reproduit le mouvement phi inversé dans le système MotionNet et ont découvert qu’il commettait les mêmes erreurs de perception qu’un cerveau humain – mais contrairement au cerveau humain, ils pouvaient regarder de près le système artificiel pour voir pourquoi cela se produisait. Ils ont découvert que les neurones sont « accordés » à la direction du mouvement, et dans MotionNet, « reverse-phi » déclenchait des neurones accordés à la direction opposée au mouvement réel.
Le système artificiel a également révélé de nouvelles informations sur cette illusion commune : la vitesse du mouvement inverse-phi est affectée par la distance entre les points, à l’inverse de ce à quoi on pourrait s’attendre. Les points « se déplaçant » à une vitesse constante semblent se déplacer plus rapidement s’ils sont espacés d’une courte distance, et plus lentement s’ils sont espacés d’une distance plus longue.
« Nous connaissons le mouvement phi inversé depuis longtemps, mais le nouveau modèle a généré une toute nouvelle prédiction sur la façon dont nous le vivons, que personne n’a jamais examinée ou testée auparavant », a déclaré le Dr Reuben Rideaux, un chercheur au Département de psychologie de l’Université de Cambridge et premier auteur de l’étude.
Les humains sont raisonnablement bons pour déterminer la vitesse et la direction d’un objet en mouvement simplement en le regardant. C’est ainsi que nous pouvons attraper une balle, estimer la profondeur ou décider s’il est sécuritaire de traverser la route. Pour ce faire, nous transformons les modèles changeants de la lumière en une perception du mouvement – mais de nombreux aspects de la façon dont cela se produit ne sont toujours pas compris.
« Il est très difficile de mesurer directement ce qui se passe à l’intérieur du cerveau humain lorsque nous percevons un mouvement – même notre meilleure technologie médicale ne peut pas nous montrer l’ensemble du système à l’œuvre. Avec MotionNet, nous avons un accès complet », a déclaré Rideaux.
Penser que les choses évoluent à une vitesse différente de ce qu’elles sont réellement peut parfois avoir des conséquences catastrophiques. Par exemple, les gens ont tendance à sous-estimer la vitesse à laquelle ils conduisent dans des conditions de brouillard, car les paysages plus sombres semblent se déplacer plus lentement qu’ils ne le sont réellement. Les chercheurs ont montré dans une étude précédente que les neurones de notre cerveau sont biaisés vers des vitesses lentes, donc lorsque la visibilité est faible, ils ont tendance à deviner que les objets se déplacent plus lentement qu’ils ne le sont en réalité.
En révéler davantage sur l’illusion du phi inversé n’est qu’un exemple de la façon dont MotionNet fournit de nouvelles informations sur la façon dont nous percevons le mouvement. Avec la certitude que le système artificiel résout les problèmes visuels d’une manière très similaire au cerveau humain, les chercheurs espèrent combler de nombreuses lacunes dans la compréhension actuelle du fonctionnement de cette partie de notre cerveau.
Les prédictions de MotionNet devront être validées dans des expériences biologiques, mais les chercheurs disent que savoir sur quelle partie du cerveau se concentrer fera gagner beaucoup de temps.
Référence : « Explorer et expliquer les propriétés du traitement du mouvement dans les cerveaux biologiques à l’aide d’un réseau de neurones » par Reuben Rideaux et Andrew E. Welchman, février 2021, Journal de la vision.
DOI : 10.1167 / jov.21.2.11
Rideaux et son co-auteur de l’étude, le Dr Andrew Welchman, font partie de l’Adaptive Brain Lab de Cambridge, où une équipe de chercheurs examine les mécanismes cérébraux qui sous-tendent notre capacité à percevoir la structure du monde qui nous entoure.
Cette recherche a été soutenue par le Leverhulme Trust et le Isaac Newton Trust.
