Frontiers in Computational Neuroscience

Les illusions visuelles sont des percepts sensoriels qui ne peuvent pas être expliqués complètement à partir de l’image observée, mais qui découlent du fonctionnement interne du système visuel. En eux, nous percevons quelque chose qui n’est pas physiquement présent dans l’image et qui intéresse les neuroscientifiques car ils révèlent un traitement visuel dont nous ne sommes normalement pas conscients. Par exemple, l’illusion de contraste simultané nous permet de comprendre que nous ne percevons pas la luminance en valeurs absolues et que, au contraire, le système visuel calcule la luminance d’un objet par rapport à son environnement (Figure 1A).

En dissociant nos percepts sensoriels des caractéristiques physiques d’un stimulus, les illusions visuelles offrent aux neuroscientifiques une occasion unique d’étudier les mécanismes neuronaux sous-jacents à nos expériences sensorielles (Eagleman, 2001; Panagiotaropoulos et al., 2012). Les perceptions saillantes que les illusions visuelles créent, ainsi que le fait qu’elles résultent d’un traitement interne, stimulent constamment les chercheurs à rechercher le mécanisme et l’emplacement dans le cerveau d’où proviennent les illusions. Cependant, les illusions se sont avérées aussi difficiles à expliquer que tout autre phénomène perceptif.

Les origines physiologiques de certaines illusions ont été étudiées chez les animaux, dont certains sont connus pour les percevoir de la même manière que les humains (Tudusciuc et Nieder, 2010). Cette recherche montre que des phénomènes perceptifs tels que le masquage visuel, la suppression du flash, le remplissage, la profondeur induite par le mouvement et la perception cyclopéenne (stéréogrammes à points aléatoires) sont présents aux premiers stades du traitement visuel dans des structures telles que le thalamus et les cortex visuels primaire et secondaire (Carney et al., 1989; Macknik et coll., 2000; von der Heydt et coll., 2000; Grinvald et Hildesheim, 2004; Wilke et al., 2009).

L’illusion de Müller-Lyer (MLI) est une illusion géométrique simple et très étudiée qui, dans sa forme classique, consiste en deux segments de lignes horizontales qui sont perçus comme ayant des longueurs différentes selon qu’ils ont des pointes de flèche ou des queues de flèche à leurs extrémités (Figures 1B–E). Dans le but de comprendre les mécanismes neuronaux derrière l’illusion, les travaux précédents de Zeman et al. (2013) ont démontré que le MLI est présent dans le réseau artificiel multicouche HMAX, qui est un modèle qui intègre de nombreuses caractéristiques du système visuel des primates (Serre et al., 2005). Les auteurs ont d’abord formé le réseau à catégoriser des images d’arbres horizontaux courts et longs, présentés dans des configurations qui n’évoquent pas l’illusion chez l’homme. Après cette formation, ils ont demandé au réseau de classer les longueurs d’arbre des images contenant le MLI classique.

Les résultats montrent que le réseau HMAX a montré un biais dans la classification des arbres horizontaux, classant ceux avec des pointes de flèches comme plus courts qu’ils ne l’étaient réellement. Fait intéressant, l’ampleur du biais était similaire à celle mesurée chez l’homme, et cet effet était également modulé par l’angle des nageoires, avec des angles plus petits (plus proches de l’arbre horizontal) produisant un biais plus important. Fait important, les auteurs ont démontré que la couche de classification finale, c’est-à-dire la couche qui catégorise les images en tant que longues ou courtes, ne repose pas uniquement sur des unités à hautes fréquences spatiales. Ce résultat ne soutient pas l’explication de bas niveau de l’illusion indiquant les caractéristiques passe-bas de l’entourage central et les cellules simples pourraient être la principale cause de l’illusion (Figure 1F). De plus, étant donné que le réseau n’a pas été formé avec des images naturelles et qu’il ne contenait pas d’informations relatives à la profondeur, l’explication de l’illusion par un « monde carpenté » de haut niveau n’a pas non plus été favorisée (Figure 1G; Segall et al., 1963; Ninio, 2014).

Les nouveaux travaux de Zeman et al. (2014) développe ces résultats précédents en démontrant que l’ampleur de l’illusion augmente après le traitement par des couches de cellules simples, et qu’elle diminue après le traitement par des couches de cellules complexes. La réduction de l’illusion par des cellules complexes suggère que la propriété de l’invariance positionnelle (la capacité de répondre à un stimulus malgré sa localisation spatiale) pourrait rendre ces neurones moins sensibles au biais induit par l’illusion. Ces nouveaux résultats indiquent que l’ampleur de la MLI pourrait être représentée différemment selon les populations neuronales, et que des représentations plus abstraites des images pourraient être moins sensibles aux effets illusoires.

Les mécanismes derrière l’illusion sont encore insaisissables. Comme le montrent Zeman et ses collègues, l’explication de bas niveau, malgré sa simplicité attrayante, pourrait ne pas être l’histoire complète. Comme cela a été montré avec les stéréogrammes à points aléatoires et d’autres versions binoculaires de l’illusion (Figure 1E), le MLI peut être généré à un niveau de traitement au-delà de ceux des simples champs réceptifs centre-surround, même en l’absence de contraste de luminance (Julesz, 1971). Bien que l’hypothèse du « monde carpentré » ne soit pas nécessaire pour expliquer l’illusion, l’implication des cortex pariétal et occipito-temporal suggère qu’il est probable que des processus cognitifs plus élevés soient impliqués (Weidner et Fink, 2007; Mancini et al., 2011).

Le MLI démontre que l’instruction intuitivement simple « comparer la longueur des deux lignes horizontales » n’est pas portée par le système visuel aussi directement qu’il le ressent subjectivement. Il est clair que le système visuel compare autre chose à travers les dessins, et cela peut être lié à des objets visuels complets, pas à des informations locales. Interrogé sur la taille, notre système visuel peut juger de la taille des objets complets. Cela peut être démontré en concentrant notre attention sur une caractéristique locale du dessin de Müller-Lyer, par exemple en essayant de déterminer si les extrémités des flèches sont alignées verticalement (Figure 1D). On peut comprendre, même sur la figure 1B ou la figure 1C, que les sommets sont alignés verticalement, une perception qui indique que l’illusion n’est pas présente au niveau local.

L’illusion MLI est une expérience perceptive trompeusement simple qui ne cesse d’attirer l’attention des neuroscientifiques. Les travaux de Zeman et de ses collègues suggèrent que deux causes souvent citées de l’illusion, les propriétés de filtrage passe-bas des neurones visuels et l’hypothèse du « monde carpentré », ne sont pas nécessaires pour générer l’illusion au sein d’un système visuel de type primate. Des travaux futurs seront nécessaires pour élucider les mécanismes par lesquels le cerveau estime et compare la taille des objets visuellement identifiés.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Nous reconnaissons le soutien de la Dirección General de Asuntos del Personal Academico de la Universidad Nacional Autónoma de México et du Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. Nous remercions Edgar Bolaños pour son assistance technique.