2.1 Hétérogénéité fonctionnelle du cortex pariétal postérieur

Des travaux initiés il y a quelques années nous ont permis de montrer l’existence de plusieurs aires corticales distinctes dans le lobe pariétal, une région se situant au carrefour des principales voies nerveuses pour le traitement des informations visuelles, auditives et somatiques. Ces aires se différencient suivant la nature des informations qui y sont traitées mais aussi suivant le type de comportements auxquels elles participent, les régions de l’espace qui y sont représentées, les systèmes de coordonnées utilisés pour le codage des signaux multisensoriels qui leur sont acheminés, et les variables cognitives - anticipation, attention, intention - qui modulent leur activité. Ces travaux ont permis de valider un schéma fonctionnel du cortex pariétal postérieur comprenant des aires anatomiquement et physiologiquement distinctes, et d’ébaucher une description de la contribution de chacune de ces aires à la représentation de l'espace comportemental.

 Figure 1. Vue dorsale d'un hémisphère gauche de macaque dont on a retiré une partie du lobe occipital et dont on a ouvert le sillon intrapariétal afin d'en révéler les différentes subdivisions

L'aire MIP.  Cette aire est située dans la partie postérieure de la face médiane du sillon.  Lors de pénétrations faites parallèlement à la surface corticale, plusieurs classes de neurones ont été identifiées. Dans la zone adjacente à la convexité corticale, les cellules sont activées passivement par la stimulation somesthésique des membres contralatéraux et en particulier de la main.  Plus profondément, les neurones répondent uniquement à la stimulation somesthésique "active", durant les mouvements d'atteinte et de préhension. Environ à mi-chemin dans le sillon, les cellules répondent à des stimulus visuels et somesthésiques, et ce de manière additive.  Dans la partie la plus profonde du sillon, il existe une région purement visuelle dans laquelle les neurones ont des champs récepteurs périphériques. Parmi ces neurones, certains répondent de manière sélective à la distance d'un stimulus: leur activité est plus intense si le stimulus est  présenté dans à 20-30cm que s'il est présenté sur l'écran placé à une distance lointaine. On pense aujourd’hui que cette aire pourrait être impliquée dans un circuit visuo-moteur pariéto-frontal impliquant les aires V6/V6A, MIP et le cortex prémoteur dorsal, et qu’elle jouerait un rôle important dans la mise en forme des informations rétiniennes au service de la programmation des mouvements du bras vers les objets situés dans le « champ de préhension ».

L'aire VIP.  L'aire ventrale intrapariétale est située dans le fundus de la partie moyenne et antérieure du sillon. L'activité neuronale y est caractérisée par des réponses visuelles et bimodales. Ces neurones sont particulièrement sensibles à des stimuli en mouvement, et plus des deux tiers répondent sélectivement à la direction du mouvement, comme dans les aires MT et MST dont  VIP reçoit des projections importantes. La similitude des réponses neuronales entre l'aire VIP et les aires du sillon temporal supérieur est frappante, mais l'aire VIP s'en distingue de plusieurs manières. Trois d'entre elles sont particulièrement significatives : (1) Environ les trois-quarts des cellules visuelles sont activées également  par la stimulation tactile. Les champs récepteurs intéressent principalement la tête et le visage. Les champs récepteurs visuels et somesthésiques de neurones individuels correspondent entre eux du point de vue de leur position, de leur taille, et de leur sensibilité à la direction du mouvement.  (2) Comme il a été observé dans l'aire MIP, une partie des neurones de l'aire VIP répond en fonction de la distance du stimulus visuel. Alors que dans l'aire MIP, les cellules répondent  de préférence à des stimuli "proches",  à distance de préhension, les cellules de l'aire VIP  préfèrent des stimuli "ultra-proches", présentés à quelques centimètres de la tête de l'animal. (3) Enfin, le niveau d'activité en réponse à l'apparition d'un stimulus visuel est amplifié lorsque ce stimulus est la cible d'une saccade, par rapport la situation où le stimulus est présenté passivement durant la fixation oculaire.

L'aire LIP.  Sur le plan des caractéristiques sensorielles, cette aire qui se trouve dans la partie postérieure et latérale du sillon est essentiellement visuelle.  La  propriété la plus significative des neurones de LIP est leur capacité à véhiculer des signaux multiples. Ces neurones ont des réponses visuelles qui varient suivant les conditions d'attention ainsi que des réponses associées à l'activation motrice au moment de l'exécution de saccades oculaires. Les frontières de l'aire LIP ont été déterminées sur des critères anatomiques et physiologiques. La présence d'activité pré-saccadique permet de définir la frontière dorsale entre l'aire LIP et l'aire 7a: les cellules de l'aire 7a déchargent généralement après, plutôt qu'avant, un mouvement de saccade oculaire. La limite ventrale de LIP est marquée par la transition nette entre ce type d'activité péri-saccadique et les réponses multisensorielles au mouvement qui caractérisent l'aire VIP.

Les aires pariétales qui ont été décrites ici font encore l'objet de travaux visant à déterminer leurs frontières, leurs connexions, leur rôle fonctionnel. D'autre aires ont été décrites plus récemment, notamment l’aire AIP par le groupe de Rizzolatti. Si les définitions actuelles ont nécessairement un caractère provisoire, il apparaît néanmoins raisonnable de supposer que le sillon intrapariétal contient des aires anatomiquement et fonctionnellement distinctes, même si la définition de ces aires ne satisfait pas strictement à tous les critères communément utilisés.  Il n'existe probablement pas de solution simple au problème de définir ce que constitue une "aire". Par exemple, moins de la moitié des aires visuelles connues jusqu'à présent sont organisées de façon topographique. Ce qui constitue une aire visuelle au bas de la hiérarchie corticale est vraisemblablement différent de ce qui constitue une aire visuelle au sommet de cette hiérarchie.  Nous faisons l'hypothèse que pour toutes les aires participant à un haut niveau d’intégration, les propriétés des réponses neuronales seront déterminantes. Une telle recherche ne peut évidemment pas avoir pour finalité unique ou principale l'établissement d'un atlas cortical mais la reconnaissance de l'existence d'aires distinctes est un passage obligé pour la découverte d'unités fonctionnelles biologiquement plausibles. Les données relatives à la différenciation fonctionnelle et à l'organisation intrinsèque d'un région est un cadre de référence indispensable à toute analyse ultérieure de la spécialisation fonctionnelle dans le système visuel.

2.2 Organisation des référentiels spatiaux dans le cortex pariétal

L'identification des cadres de référence choisis par le système nerveux central pour représenter les relations entre perception et action est une question fondementale dans l'analyse des systèmes sensorimoteurs. Le codage des informations spatiales dans les aires visuelles primaires est réalisé en coordonnées rétiniennes. Cependant, la trajectoire d’un mouvement est programmée dans le cadre de référence propre à l’effecteur choisi, qu’il s’agisse de l’oeil, de la tête ou de la main. Le problème général que doit résoudre le cerveau est donc d'ordre computationel: comment transformer des données afférentes, qui sont fournies dans des systèmes de coordonnées propres aux surfaces de capteurs sensoriels, en messages efférents compatibles avec le "langage" des systèmes moteurs? Pour réaliser cette transformation, les informations visuelles doivent être combinées à des informations provenant d’autres sources. Ainsi, la position d’un objet peut être définie par rapport à la tête, si la position des yeux dans l’orbite est connue et ajoutée aux coordonnées rétiniennes de cet objet.
 

 Figure 2. Exemple de champs récepteurs mesurés durant la fixation oculaire en deux positions différentes (croix). A. Le champ invariant dans l'espace d'un neurone crâniotopique. B. Le champ dépendant de la position l'oeil d'un neurone rétinotopique.
 

Dans l’aire VIP, nous avons montré que l’activité des neurones visuel est modulée par la position des yeux dans l’orbite, comme c’est le cas d’ailleurs dans plusieurs autres aires corticales. Le résultat plus intéressant toutefois, est que les champs récepteurs de ces neurones sont organisés selon un continuum allant des coordonnées rétiniennes aux coordonnées crâniotopiques. En effet, contrairement à la plupart des aires visuelles connues à l’exception de l’aire PO/V6 décrite par Galletti et coll. (1993), l’activité visuelle de certains neurones de l'aire VIP représente l'azimut et/ou l’élévation d’un objet dans l’espace indépendamment de la direction du regard (Figure 2). Ces résultats ont été obtenus à l’aide d’une méthode de cartographie quantitative des champs récepteurs que nous avons mise au point et qui permet d’échantillonner rapidement un grand nombre de régions du champ visuel, chez un singe entraîné à fixer un point pouvant apparaître en différentes positions d'un écran de projection. Cette méthode a été appliquée également à l’aire LIP et à l’aire MST. Contrairement aux résultats obtenus dans VIP, ces deux aires ne contiennent que des neurones à champ récepteur rétinotopique. Il semble donc que l’aire VIP se singularise par rapport aux autres aires pariétales en ce qui concerne le référentiel de codage de l’espace visuel. Puisque dans ces expériences, la tête était fixée par rapport au corps et le corps par rapport à l’environnement, des expériences devront être menées afin de déterminer si ces neurones peuvent être le support d’un référentiel d’ordre plus élevé encore, centré par exemple sur le tronc ou même sur des repères externes.

2.3. Interactions visuo-vestibulaires dans le cortex pariétal postérieur.

L'établissement des référentiels spatiaux utilisés dans le codage du mouvement requiert l'analyse des déplacements de la tête dans l'espace. Nous avons étudié la sensibilité aux stimulations visuelles et vestibulaires des neurones de deux régions distinctes du lobule pariétal inférieur: le cortex pariétal antérieur ou aire 2v, dont les afférences vestibulaires sont connues, et l'aire VIP, que nous avons précédemment définie comme une région de convergence visuelle et somesthésique. Dans ces deux régions, nous avons identifié des neurones répondant à la rotation du corps dans le plan horizontal, et ce aussi bien dans l'obscurité totale que pendant la suppression volontaire du réflexe vestibulo-oculaire. En première analyse, le signal vestibulaire enregistré dans l’aire VIP semble refléter principalement la vitesse de déplacement de la tête. Cependant un examen plus poussé du contenu fréquentiel de ces réponses à l’aide d’analyses de Fourrier indique que le codage des signaux vestibulaires est fréquemment mixte, un même neurone véhiculant à la fois des informations de vitesse et de position de la tête. Ce dernier aspect est particulièrement intéressant car il présuppose une double intégration (au sens mathématique) par le système nerveux central des signaux issus des canaux semi-circulaires qui sont ne sont sensibles qu’à l’accélération de la tête. Ce résultat demande à être confirmé par des expériences ultérieures visant à déterminer si ce signal de position contribue à la construction d’une représentation de l’orientation de la tête par rapport à des repères environnementaux.

2.4. Analyse de la sensibilité des neurones pariétaux aux indices de mouvement propre dans le flux optique

 Une de ses caractéristiques dominantes de l’aire VIP est la sensibilité des réponses neuronales à la direction et à la vitesse de déplacement d'un stimulus visuel ou tactile. Les champs récepteurs visuels dans cette région sont de grande taille et semblent donc adaptés à la détection de changements rétiniens globaux provoqués par les déplacements propres. Afin de tester cette hypothèse nous avons analysé les réponses de neurones de l'aire VIP à des images dynamiques "grand champ" constituées de nuages de points aléatoires. Quatre types de stimuli ont été présentés: expansion radiale simulant une translation de la tête vers l'avant, contraction radiale simulant une translation vers l'arrière, rotation simulant une rotation de la tête autour du plan sagittal, translation circulaire permettant de tester la sensibilité à toutes les directions possibles de translation linéaire dans le plan fronto-parallèle. La plupart des neurones testés répondent de manière sélective à ces différents types de mouvement. Certains neurones répondent ainsi de manière préférentielle à l'expansion, à la contraction, ou à une direction de rotation circulaire. Par ailleurs, une forte proportion des neurones sensibles au mouvement radial démontre une modulation de leur fréquence de décharge en fonction de la position du foyer d'expansion ou de contraction dans le champ visuel. Ces résultats indiquent que l'aire VIP pourrait contribuer à la détection de la direction de translation de la tête lors de la locomotion. Cette hypothèse a été testée récemment à l'aide d'une approche populationnelle démontrant que la sélectivité au flux optique de ces neurones permet effectivement de détecter avec une très faible marge d'erreur la direction du mouvement (simulé) d'un observateur.
 

2.5. Mécanismes neuronaux de l'attention visuelle

Une étude initiée par S. Ben Hamed dans le cadre d’un travail de thèse aborde la question suivante : comment les systèmes corticaux de représentation de l'espace visuel interviennent-ils dans la sélection des informations et dans l'élaboration de réponses comportementales ? Certains modèles théoriques proposent le concept d'attention agissant tel un filtre spatial, i.e., comme un mécanisme de sélection perceptive qui augmente la sélectivité de réponse des cellules, concept neurophysiologique traduisant assez fidèlement celui, psychologique, du projecteur attentionnel introduit par William James. Selon d'autres conceptions, l'attention est un analogue de l'intention de réaction à l'environnement, i.e., une restriction des degrés de liberté des réponses comportementales possibles. D'autres mécanismes entrent également en jeu : Quelle est la portée représentationnelle des phénomènes de prédiction et d'anticipation qui se développent au cours de l'apprentissage? L'analyse effectuée à ce niveau est-elle réalisée sur une représentation cohérente et complète du monde visuel? Qu'est-ce qui est effectivement codé à ce niveau : l'attribut physique absolu des stimuli, ou leur signification comportementale?

Développement d'une technique de mesure quantitative des champs récepteurs visuels
 Un facteur qui limite la compréhension des propriétés dynamiques des neurones visuels corticaux est le mode de caractérisation de leur champ récepteur, souvent réduit à l'identification de la zone de réponse maximale. Or étant données les modifications radicales des réponses neuronales visuelles au voisinage des saccades, il est particulièrement important d'en déterminer la forme spatio-temporelle de la manière la plus complète possible. Une méthode quantitative permettant d'établir une cartographie exhaustive et en temps réel de la structure d'un champ récepteur a été mise au point. Différentes techniques ont été évaluées à l'aide de simulations phénoménologiques de cellules visuelles. L'approche finalement retenue inclut un protocole de stimulation visuelle à cadence rapide et l'analyse des réponses neuronales par la méthode de cross-correlation inverse.

Organisation des champs récepteurs visuels dans l'aire LIP

 L'activité visuelle des neurones du cortex pariétal est influencée par la direction de l'attention et par les mouvements oculaires. La technique décrite ci-dessus a été utilisée pour tester la variabilité des champs récepteurs de neurones visuels situés dans l'aire LIP, sous trois conditions distinctes: (1) dans une épreuve de discrimination visuelle fovéale, (2) durant le regard spontané, et  (3) durant la période de préparation d'une saccade vers une cible mémorisée. La première condition est la condition classique de reconstruction des champs récepteurs. Les deux autres conditions diffèrent de celle-ci essentiellement par l'état attentionnel de l'animal: dans la condition (2), l'attention est relâchée et non-contrainte; dans la condition (3), l'attention est dirigée vers la périphérie alors que la fixation est toujours centrale. Les résultats obtenus suggèrent que les champs récepteurs ne sont pas des entités figées, mais suivent une dynamique spatio-temporelle. Ainsi, entre la condition (1) et la condition (2), les champs récepteurs subissent des variations qui portent sur la taille, la position spatiale ainsi que sur l'activité neuronale maximale déclenchée par un même stimulus au sein du champ. Ces modifications sont globalement cohérentes et vont vers une surreprésentation de l'espace fovéal en fixation par rapport à l'état d'exploration spontanée, pendant laquelle le champ visuel périphérique est englobé. Pendant la programmation de saccades mémorisées, on observe un tropisme du champ vers la position spatiale vers laquelle la saccade doit être effectuée. Ce tropisme, qui se traduit essentiellement par une redistribution de l'activité neuronale au sein du champ, a pu être décortiqué dans le temps : toute la période de délai entre la présentation de la cible de la saccade et son exécution n'a pas la même valeur, et en fonction des cellules considérées, le maximum de modification du champ récepteur peut avoir lieu soit juste après l'événement sensoriel, soit pendant la période de mémorisation, soit juste avant l'événement moteur. Il semble donc que les différentes informations comportementalement signifiantes (sensorielles, attentionnelles, mnésiques et motrices ) soient intégrées au niveau de l'organisation du champ récepteur, élément charnière dans l'analyse du champ visuel.
Rôle de l'aire intrapariétale latérale (LIP) dans l'attention fovéale et la fixation oculaire
 L'exploration de l'environnement visuel se fait dans une large mesure au moyen de saccades oculaires servant à déplacer rapidement le regard. Le cortex de l'aire intrapariétale latérale (LIP) contient une représentation du champ rétinien périphérique. L'activité des neurones de cette région reflète le déplacement de l'attention vers une position périphérique ainsi que l'intention de déplacer le regard vers cette position. Puisque l'aire LIP contient également une représentation du champ visuel central, nous avons testé l'hypothèse d'un rôle de cette région dans une activité complémentaire de la saccade, qui est la fixation de l'oeil et le maintien actif de l'attention sur cette portion du champ visuel. Plusieurs catégories de décharges neuronales ont été observées. L'activité de certaines cellules est strictement dépendante de la présence continue d'un stimulus sur la fovéa et décroît pendant l'extinction du point de fixation, même si le sujet maintien la fixation oculaire. Un autre groupe de cellules démontre le comportement inverse: inhibition en présence d'un stimulus visuel à fixer et activation durant la période d'extinction. Ces cellules répondent également durant les saccades avec gap. Enfin l'activité d'un troisième groupe de cellules était corrélée à l'anticipation d'un événement visuel. Ces données indiquent que les signaux véhiculés par les neurones pariétaux codant le champ visuel central pourraient contribuer au désengagement et à l'engagement des mécanismes de fixation et au processus attentionnels sous-jacents.