Taille des pupilles et activité cérébrale : un regard plus approfondi

Nos cerveaux traitent l’information selon ce qu'on voit et ce qu'on vit, et ce traitement est influencé par divers facteurs autour de nous. Un facteur important est notre niveau de vigilance ou d'excitation, qui peut changer la façon dont notre cerveau réagit à l'information. Une façon courante de mesurer l'excitation est de regarder les changements de taille des pupilles. Cependant, comment la taille des pupilles est liée aux changements d'activité cérébrale et quels facteurs spécifiques influencent ces changements ne sont pas encore totalement clairs.

Un bon endroit pour étudier ces effets est le thalamus visuel, une partie du cerveau qui traite l’information visuelle. Les neurones dans cette zone montrent des motifs de décharge distincts basés sur l'excitation. On note deux principaux motifs : la décharge en rafale et la décharge tonique. La décharge en rafale a tendance à se produire quand une personne est moins alerte, tandis que la décharge tonique se produit quand la vigilance augmente. La façon dont ces motifs de décharge se produisent peut affecter la circulation de l’information vers d'autres zones du cerveau responsables du traitement de ce que nous voyons.

Beaucoup d'études antérieures ont regardé l'excitation en utilisant une seule mesure à la fois, mais il devient clair que l'excitation n'est pas un état simple et unidimensionnel. Au lieu de cela, notre état peut varier selon une combinaison de nombreux facteurs. Par exemple, des études qui ont examiné à la fois le mouvement et les changements de taille des pupilles ont trouvé des effets différents sur l'activité cérébrale. Cela suggère que la façon dont nos sens réagissent dépend de multiples processus qui se déroulent en même temps.

#Comprendre la dynamique des pupilles et l'activité neuronale

Pour aller plus loin, nous avons dû étudier comment le thalamus visuel (en particulier une partie appelée le noyau géniculé dorsolatéral, ou dLGN) réagit aux changements de taille des pupilles dans le temps. Nous avons trouvé que les deux types d'activité - tonique et en rafale - sont liés à des changements de taille des pupilles sur diverses périodes, de quelques secondes à quelques minutes. Étonnamment, les pics tonique et en rafale réagissaient de manière opposée aux changements de taille des pupilles. Cette relation ne s'expliquait pas seulement par la taille des pupilles elle-même, mais pouvait se produire sans changements évidents de mouvement ou de mouvements oculaires. Nous avons aussi observé que ces motifs persistaient même quand nous montrions des films naturalistes aux participants, indiquant que les changements d'activité cérébrale liés à l'excitation jouent un rôle dans la façon dont l'information visuelle est traitée.

#Méthode d'investigation

Pour mieux comprendre comment l'activité neuronale est influencée par les changements de taille des pupilles, nous avons mis en place une expérience où des animaux pouvaient courir librement pendant que leur taille de pupilles et leur activité cérébrale étaient enregistrées. Nous nous sommes principalement concentrés sur le dLGN tout en surveillant de près la taille des pupilles et la vitesse de mouvement. Comme prévu, la taille des pupilles fluctuait fréquemment et variait avec les niveaux d'activité des animaux. Notamment, la taille des pupilles ne s'alignait pas toujours directement avec les périodes de mouvement, suggérant que différents états internes peuvent coexister même quand le comportement semble identique.

#Analyser l'activité neuronale

Nous avons examiné comment les taux de décharge des neurones dans le dLGN changeaient en fonction de la taille des pupilles à travers différents cadres temporels. L'activité de décharge des neurones a été collectée dans de courtes fenêtres de temps, et nous avons observé qu'il y avait une relation complexe et non linéaire entre la taille des pupilles et les taux de décharge neuronale. Pour de nombreux neurones, les taux de décharge les plus forts ne se produisaient pas toujours quand la taille des pupilles était à son maximum. En fait, la plupart des neurones montraient des changements significatifs à travers les différentes tailles des pupilles.

La variabilité des taux de décharge au sein de groupes de taille des pupilles spécifiques était remarquablement élevée. Cela suggérait que d'autres facteurs contribuaient à la façon dont les neurones du dLGN déchargeaient, potentiellement provenant de processus internes non liés à l'entrée visuelle. Il est important de noter que nous avons aussi identifié des changements de taux de décharge associés à différentes phases de la dynamique des pupilles, montrant que les fluctuations de la taille des pupilles pouvaient se produire peu importe si la pupille était constrictée ou dilatée.

#Explorer les composants de la taille des pupilles

Pour mieux capturer comment les changements de taille des pupilles affectaient l'activité neuronale, nous avons utilisé une technique pour décomposer les fluctuations de taille des pupilles en composants distincts. Cela nous a permis d'examiner comment différentes échelles temporelles affectaient l'activité cérébrale de manière plus spécifique. Nous avons découvert que les changements de taille des pupilles pouvaient être décrits sur diverses échelles temporelles, et nous avons extrait ces signaux sans imposer d'assumptions préalables sur leurs caractéristiques.

La décomposition a révélé que chaque composant de la dynamique des pupilles avait son propre impact unique sur la décharge neuronale. Nous avons identifié que les deux types d'activité de décharge - tonique et en rafale - étaient étroitement liés aux activités de ces composants, chaque type montrant des préférences pour différentes phases de la dynamique des pupilles.

#Couplage de phase entre l'activité neuronale et la dynamique des pupilles

En enquêtant sur la façon dont les pics dans le dLGN étaient corrélés avec la dynamique des pupilles, nous avons établi un cadre pour comprendre ces interactions. Notre analyse a révélé que les pics toniques étaient liés à certaines phases de la dynamique des pupilles, tandis que les pics en rafale montraient une préférence pour des phases opposées. Cette relation était vraie pour presque tous les neurones du dLGN que nous avons étudiés.

Le couplage significatif que nous avons observé suggérait que le dLGN est sensible aux changements de la dynamique des pupilles, peu importe des comportements évidents comme le mouvement ou les changements oculaires. Même lors de présentations de stimuli visuels, comme des films naturalistes, ces motifs de couplage avaient tendance à se maintenir, suggérant que les fluctuations liées à l'excitation dans la taille des pupilles pouvaient influencer la façon dont l'information visuelle est traitée.

#Le rôle des états comportementaux

Ensuite, nous voulions voir si les changements d'activité de décharge étaient davantage provoqués par des changements d'états comportementaux, comme se déplacer ou rester immobile, plutôt que par la dynamique des pupilles. Nous avons trouvé que la locomotion et les périodes de calme influençaient les taux de décharge neuronale, mais intéressamment, le couplage que nous avons observé entre l'activité de décharge du dLGN et la dynamique des pupilles ne dépendait pas uniquement de ces transitions comportementales.

En analysant des périodes spécifiques de calme, nous avons noté que le couplage de l'activité du dLGN à la dynamique des pupilles restait fort, semblable à quand nous avons analysé pendant toute la session. Cette constance indiquait que l'influence de la dynamique des pupilles sur la décharge neuronale persistait peu importe les mouvements.

#Influences des stimuli visuels

En explorant comment les stimuli visuels naturalistes affectaient le couplage que nous avons observé, nous avons présenté des extraits de films tout en enregistrant à la fois les tailles des pupilles et l'activité du dLGN. Pendant ces essais, alors que les neurones répondaient aux stimuli visuels, nous avons constaté que la variabilité de leurs taux de décharge était souvent plus grande que la réponse moyenne au stimulus lui-même. Cela indiquait que d'autres facteurs internes, comme la dynamique des pupilles liées aux niveaux d'excitation, entraînaient des fluctuations significatives dans les taux de décharge.

Lorsque nous avons évalué comment la dynamique des pupilles affectait les réponses aux stimuli visuels, nous avons vu que les neurones démontraient différents motifs d'activité selon la phase de la dynamique des pupilles. La force du couplage entre l'activité du dLGN et la dynamique des pupilles était généralement plus faible pendant le visionnage des stimuli visuels que pendant des moments plus calmes. Cependant, des relations significatives étaient toujours observées.

#Neurones et leurs réponses uniques

Dans la population de neurones analysés, il y avait une diversité notable dans la façon dont chacun réagissait aux changements de dynamique des pupilles. Certains neurones montraient une modulation significative aux changements rapides tandis que d'autres préféraient des dynamiques plus lentes. Cette variabilité reflète probablement les différents types de neurones présents dans le dLGN, chacun pouvant être affecté par l'excitation de manière distincte selon leur rôle fonctionnel.

Ainsi, bien que notre étude ait révélé des voies communes entre l'activité du dLGN et la dynamique des pupilles, elle a aussi mis en lumière l'individualité des réponses neuronales, suggérant que les caractéristiques uniques de chaque neurone peuvent façonner notre façon de traiter l'information sensorielle.

#Conclusion

En résumé, nos découvertes comblent des lacunes dans la compréhension de la façon dont l'excitation et le traitement sensoriel sont entrelacés dans le cerveau. Le couplage observé entre l'activité du dLGN et la dynamique des pupilles à travers plusieurs échelles temporelles démontre que notre réponse aux stimuli est influencée par un jeu complexe d'états internes. Reconnaître que l'excitation peut façonner le traitement sensoriel de manière nuancée pourrait affiner notre approche pour étudier comment le cerveau fonctionne dans différents états de vigilance.

En révélant la nature multi-échelle des modulations liées à l'excitation à travers une étude détaillée de la dynamique des pupilles et de l'activité neuronale, nous avons ouvert des voies pour une exploration plus approfondie des relations intriquées qui définissent les expériences sensorielles dans le cerveau. Les futures études peuvent se concentrer sur la façon dont divers facteurs interagissent dans le temps et comment ils influencent notre perception du monde qui nous entoure.