Même si le système visuel humain dispose de machines sophistiquées pour traiter les couleurs, le cerveau n’a aucun problème à reconnaître les objets dans les images en noir et blanc. Une nouvelle étude du MIT offre une explication possible de la façon dont le cerveau devient si habile à identifier les images en couleur et celles dont les couleurs sont dégradées.
En utilisant des données expérimentales et une modélisation informatique, les chercheurs ont trouvé des preuves suggérant que les racines de cette capacité pourraient résider dans le développement. Au début de la vie, lorsque les nouveau-nés reçoivent des informations très limitées sur les couleurs, le cerveau est obligé d’apprendre à distinguer les objets en fonction de leur luminance, ou de l’intensité de la lumière qu’ils émettent, plutôt que de leur couleur. Plus tard dans la vie, lorsque la rétine et le cortex sont mieux équipés pour traiter les couleurs, le cerveau intègre également les informations sur les couleurs, mais conserve également sa capacité précédemment acquise à reconnaître les images sans se fier de manière critique aux signaux de couleur.
Les résultats sont cohérents avec des travaux antérieurs montrant qu’un apport visuel et auditif initialement dégradé peut en réalité être bénéfique au développement précoce des systèmes de perception.
« Cette idée générale, selon laquelle il y a quelque chose d’important dans les limitations initiales que nous avons dans notre système de perception, transcende la vision des couleurs et l’acuité visuelle. Certains des travaux effectués par notre laboratoire dans le contexte de l’audition suggèrent également qu’il est important de limiter la richesse des informations auxquelles le système néonatal est initialement exposé », explique Pawan Sinha, professeur de sciences du cerveau et des sciences cognitives à l’Université de New York. MIT et auteur principal de l’étude.
Les résultats contribuent également à expliquer pourquoi les enfants nés aveugles mais dont la vision est restaurée plus tard dans la vie, grâce à l’ablation de cataractes congénitales, ont beaucoup plus de difficultés à identifier les objets présentés en noir et blanc. Les enfants qui reçoivent des couleurs riches dès que leur vue est rétablie peuvent développer une dépendance excessive à l’égard de la couleur, ce qui les rend beaucoup moins résilients aux changements ou à la suppression des informations sur les couleurs.
Marin Vogelsang et Lukas Vogelsang, postdoctorants au MIT, et Priti Gupta, chercheur au Projet Prakash, sont les principaux auteurs de l’étude, qui apparaît aujourd’hui dans Science. Sidney Diamond, un neurologue à la retraite qui est maintenant affilié à la recherche du MIT, et d’autres membres de l’équipe du Projet Prakash sont également les auteurs de l’article.
Voir en noir et blanc
L’exploration des chercheurs sur la façon dont l’expérience précoce avec la couleur affecte la reconnaissance ultérieure des objets est née d’une simple observation d’une étude portant sur des enfants qui ont retrouvé la vue après être nés avec une cataracte congénitale. En 2005, Sinha a lancé Projet Prakash (le mot sanscrit pour « lumière »), un effort mené en Inde pour identifier et traiter les enfants atteints de formes réversibles de perte de vision.
Beaucoup de ces enfants souffrent de cécité due à des cataractes bilatérales denses. Cette condition n’est souvent pas traitée en Inde, qui compte la plus grande population d’enfants aveugles au monde, estimée entre 200 000 et 700 000.
Les enfants qui reçoivent un traitement dans le cadre du Projet Prakash peuvent également participer à des études sur leur développement visuel, dont beaucoup ont aidé les scientifiques à en apprendre davantage sur la manière dont l’organisation du cerveau change après la restauration de la vue, sur la manière dont le cerveau estime la luminosité et sur d’autres phénomènes liés à la vision.
Dans cette étude, Sinha et ses collègues ont soumis aux enfants un test simple de reconnaissance d’objets, présentant à la fois des images en couleur et en noir et blanc. Pour les enfants nés avec une vue normale, la conversion des images couleur en niveaux de gris n’avait aucun effet sur leur capacité à reconnaître l’objet représenté. Cependant, lorsque les enfants ayant subi une ablation de la cataracte se voyaient présenter des images en noir et blanc, leurs performances diminuaient considérablement.
Cela a conduit les chercheurs à émettre l’hypothèse que la nature des signaux visuels auxquels les enfants sont exposés tôt dans la vie pourrait jouer un rôle crucial dans la résilience aux changements de couleur et dans la capacité à identifier les objets présentés dans des images en noir et blanc. Chez les nouveau-nés normalement voyants, les cellules du cône rétinien ne sont pas bien développées à la naissance, ce qui entraîne une mauvaise acuité visuelle et une mauvaise vision des couleurs. Au cours des premières années de vie, leur vision s’améliore nettement à mesure que le système de cônes se développe.
Parce que le système visuel immature reçoit des informations de couleur considérablement réduites, les chercheurs ont émis l’hypothèse que pendant ce temps, le cerveau du bébé est obligé d’acquérir les compétences nécessaires pour reconnaître les images avec des indices de couleur réduits. De plus, ont-ils proposé, les enfants nés avec des cataractes et qui se font enlever plus tard pourraient apprendre à trop se fier aux indices de couleur pour identifier les objets, car, comme ils l’ont démontré expérimentalement dans l’article, avec des rétines matures, ils commencent leur voyage postopératoire. avec une bonne vision des couleurs.
Pour tester rigoureusement cette hypothèse, les chercheurs ont utilisé un réseau neuronal convolutif standard, AlexNet, comme modèle informatique de vision. Ils ont entraîné le réseau à reconnaître les objets, en lui donnant différents types d’informations pendant la formation. Dans le cadre d’un programme de formation, ils ont initialement montré uniquement des images en niveaux de gris du modèle, puis ont ensuite introduit des images en couleur. Cela imite grossièrement la progression développementale de l’enrichissement chromatique à mesure que la vue des bébés mûrit au cours des premières années de leur vie.
Un autre programme de formation comprenait uniquement des images en couleur. Cela se rapproche de l’expérience des enfants du Projet Prakash, car ils peuvent traiter des informations en couleur dès que leurs cataractes sont retirées.
Les chercheurs ont découvert que le modèle inspiré du développement pouvait reconnaître avec précision les objets dans les deux types d’images et était également résistant à d’autres manipulations de couleurs. Cependant, le modèle proxy Prakash formé uniquement sur les images couleur n’a pas montré une bonne généralisation aux images en niveaux de gris ou en teintes.
« Ce qui se passe, c’est que ce modèle de type Prakash est très bon avec les images colorées, mais il est très mauvais avec tout le reste. Lorsqu’ils ne débutent pas avec une formation initialement dégradée en couleurs, ces modèles ne généralisent tout simplement pas, peut-être en raison de leur dépendance excessive à l’égard d’indices de couleur spécifiques », explique Lukas Vogelsang.
La généralisation robuste du modèle inspiré du développement n’est pas simplement une conséquence du fait qu’il a été formé sur des images en couleur et en niveaux de gris ; l’ordre temporel de ces images fait une grande différence. Un autre modèle de reconnaissance d’objets, formé d’abord sur des images en couleur, suivies par des images en niveaux de gris, n’a pas aussi bien réussi à identifier les objets en noir et blanc.
« Ce ne sont pas seulement les étapes de la chorégraphie développementale qui sont importantes, mais aussi l’ordre dans lequel elles sont jouées », explique Sinha.
Les avantages d’un apport sensoriel limité
En analysant l’organisation interne des modèles, les chercheurs ont découvert que ceux qui commencent par des entrées en niveaux de gris apprennent à s’appuyer sur la luminance pour identifier les objets. Une fois qu’ils commencent à recevoir des informations sur les couleurs, ils ne changent pas beaucoup leur approche, puisqu’ils ont déjà appris une stratégie qui fonctionne bien. Les modèles qui ont commencé avec des images en couleur ont modifié leur approche une fois que les images en niveaux de gris ont été introduites, mais n’ont pas pu changer suffisamment pour les rendre aussi précis que les modèles qui ont d’abord reçu des images en niveaux de gris.
Un phénomène similaire peut se produire dans le cerveau humain, qui présente plus de plasticité au début de la vie et peut facilement apprendre à identifier des objets en se basant uniquement sur leur luminance. Au début de la vie, le manque d’informations sur les couleurs peut en fait être bénéfique au cerveau en développement, car il apprend à identifier les objets sur la base d’informations rares.
« En tant que nouveau-né, l’enfant normalement voyant est privé, dans un certain sens, de la vision des couleurs. Et cela s’avère être un avantage », déclare Diamond.
Les chercheurs du laboratoire de Sinha ont observé que les limitations des entrées sensorielles précoces peuvent également bénéficier à d’autres aspects de la vision, ainsi qu’au système auditif. En 2022, ils ont utilisé des modèles informatiques pour montrer qu’une exposition précoce uniquement à des sons de basse fréquence, similaires à ceux que les bébés entendent dans l’utérus, améliore les performances sur les tâches auditives qui nécessitent une analyse des sons sur une période plus longue, comme la reconnaissance des émotions. Ils envisagent maintenant d’explorer si ce phénomène s’étend à d’autres aspects du développement, comme l’acquisition du langage.
La recherche a été financée par le National Eye Institute du NIH et l’Intelligence Advanced Research Projects Activity.
