Des scientifiques du RIKEN Center for Brain Science (CBS) et des collaborateurs au Japon ont découvert des neurones particuliers dans le cerveau qui surveillent si les prédictions faites par les poissons se réalisent réellement. En utilisant un nouvel aquarium équipé de réalité virtuelle où l’imagerie cérébrale du poisson zèbre peut être effectuée pendant qu’ils apprennent et naviguent à travers des signaux de réalité virtuelle, les chercheurs ont découvert des neurones qui permettent d’éviter efficacement les risques et de créer une « carte des dangers » dans le cerveau qui permet de échapper à la sécurité.
Prédire l’avenir fait partie intégrante de la prise de décision pour les poissons et les humains. Lorsque les situations réelles ne correspondent pas aux attentes, le cerveau génère des « erreurs de prédiction », qui nous font savoir que nos attentes étaient erronées. Les attentes sont formées par des modèles internes de l’environnement, et tout comme les gens, la nouvelle étude a révélé que les poissons ont de tels modèles dans leur cerveau. Les chercheurs ont surveillé l’activité cérébrale associée aux erreurs de prédiction en temps réel alors que le poisson zèbre apprenait à éviter le danger dans son aquarium. Ils ont découvert que le poisson essayait de maintenir l’erreur de prédiction à un niveau bas pour éviter efficacement le danger. Étant donné que l’évitement des risques est un comportement conservé au cours de l’évolution, ces résultats mettent en lumière des circuits cérébraux importants qui sont partagés entre tous les vertébrés, y compris les humains.
Schéma de l’installation. Les mouvements de la queue effectués par le poisson ont été analysés en temps réel et la scène projetée du poisson a été ajustée en conséquence pour leur donner l’impression de nager. La manipulation de la réalité virtuelle a permis aux chercheurs d’enregistrer l’activité cérébrale liée à l’erreur de prédiction, lorsque la réalité ne correspond pas à ce qui est prédit ou attendu.
Les poissons zèbres sont petits et transparents, ce qui permet d’enregistrer facilement l’activité de tout le cerveau. Dans l’expérience, les poissons ont vu un choix entre des zones de réalité virtuelle rouges ou bleues alors qu’ils nageaient virtuellement et ont appris à associer les couleurs des zones virtuelles au danger ou à la sécurité. Les chercheurs se sont particulièrement intéressés à une partie antérieure du cerveau appelée télencéphale, qui correspond au cortex cérébral et à d’autres structures chez les mammifères, et qui contribue à la prise de décision. Alors que le poisson zèbre apprenait à éviter le danger dans la réalité virtuelle, le changement en accéléré de son activité cérébrale a été enregistré, conduisant à la découverte de neurones qui représentent l’erreur de prédiction.
Des populations actives distinctes de neurones ont émergé lorsque les poissons ont commencé à apprendre que choisir la route virtuelle à travers un environnement bleu menait à un danger et que choisir la route rouge était synonyme de sécurité. Plus tard, un renversement expérimental de l’association, dans lequel le rouge est devenu dangereux au lieu du bleu, a conduit à une inactivation de ces neurones. Cela a indiqué aux chercheurs que les neurones codaient probablement une règle de comportement, pas simplement la couleur que les poissons voyaient. Dans un autre changement apporté à l’espace de réalité virtuelle, le paysage a été modifié afin qu’il ne change pas en fonction des mouvements de la queue du poisson. Par exemple, essayer de nager vers l’avant en retournant la queue n’a pas fait reculer la vue comme prévu. Ces manipulations ont révélé un groupe de neurones qui n’était activé que lorsque les actions que les poissons pensaient leur permettre d’atteindre la sécurité n’avaient pas le résultat escompté. “Nous pensons que cette population de neurones code une erreur de prédiction dans le cerveau, en comparant la vue réelle de leur environnement avec la vue prédite qu’ils ont apprise les mettrait en sécurité s’ils se comportaient d’une certaine manière”, explique l’auteur principal Makio Torigoe .
“Chaque animal doit faire des prédictions pour son avenir en fonction de ce qu’il a appris auparavant”, ajoute le chef de l’équipe de recherche Hitoshi Okamoto. « Maintenant, nous savons comment ces prédictions sont comparées à ce que les animaux rencontrent réellement dans le monde et quelles parties du cerveau du poisson zèbre déterminent la prise de décision ultérieure. »
Référence : “Le poisson zèbre capable de générer une erreur de prédiction d’état futur montre un comportement d’évitement actif amélioré en réalité virtuelle” par Makio Torigoe, Tanvir Islam, Hisaya Kakinuma, Chi Chung Alan Fung, Takuya Isomura, Hideaki Shimazaki, Tazu Aoki, Tomoki Fukai et Hitoshi Okamoto, 29 septembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26010-7
