« Votre nez s'est affaissé et s'est déplacé vers la gauche ! » Cette description provient d'un patient dont le cerveau est stimulé au moyen d'électrodes. Un effet similaire à celui obtenu par Honoré Daumier croquant le roi Louis-Philippe dans sa série Les poires en 1831.

 L'essentiel

- Nous déduisons toutes sortes d'informations des visages des autres : sexe, âge, état émotionnel...

- Deux études éclairent la façon dont le cerveau analyse les visages.

- La première montre qu'un même portrait ambigu déclenche des activations cérébrales différentes selon la perception consciente qu'il entraîne.

- Dans la seconde, les chercheurs ont déformé les visages perçus en perturbant l'activité électrique de certaines régions cérébrales.

  

Nos visages sont nos cartes d'identité sociales et nous excellons à y lire toutes sortes d'informations. Quelqu'un vous appelle dans la rue ? Un simple coup d'œil sur son visage vous renseignera sur son identité, son sexe, son âge et son ethnie. Votre interlocuteur est-il séduisant ou compétent ? Vous vous en ferez une première idée juste en le dévisageant. Quelqu'un regarde dans votre direction ? Vous le remarquez aussitôt. Votre enfant est joyeux, apeuré ou en colère ? Ces émotions vous semblent imprimées sur ses traits.

Déjà, les nouveau-nés fixent spontanément les visages. Un penchant d'ailleurs omniprésent dans les arts visuels : les visages tournés vers les spectateurs emplissent les tableaux et les films. Ceux d'un homme et d'une femme qui se déchirent sont l'objet de gros plans inoubliables dans le film Scènes de la vie conjugale, le chef-d'œuvre du réalisateur suédois Ingmar Bergman…

La lecture des visages étant essentielle à nos vies sociales, il n'est pas surprenant qu'une grande partie du cortex (la couche externe du cerveau) lui soit dévolue. L'imagerie fonctionnelle en a révélé l'une des clefs cérébrales : l'aire fusiforme des visages (AFV), un ensemble de régions adjacentes localisées des deux côtés du cerveau, à la base du lobe temporal. Ces régions s'activent lorsqu'on regarde un portrait ou un gros plan de visage, et même lorsqu'on se contente d'y penser.

Deux études publiées en 2014 révèlent de nouveaux détails fascinants sur la manière dont le cerveau capture un visage. Elles montrent que notre système visuel n'est pas juste une caméra qui enregistre les images pixel par pixel. Au contraire, la perception consciente d'un visage est le fruit d'un travail complexe des neurones corticaux... qu'il est possible de perturber !

Des électrodes ouvrent une fenêtre sur le cerveau

Comment procèdent les neuroscientifiques ? Ils captent l'activité électrique produite par les neurones de notre cerveau lorsque nous observons un visage. Pour cela, l'idéal est de pouvoir placer des électrodes directement dans le cerveau. Par chance, cette opération est parfois réalisée à des fins thérapeutiques sur des patients épileptiques. Dans ce cas, les électrodes visent à localiser la zone où les crises d'épilepsie prennent naissance avant de s'étendre et d'envahir parfois les deux hémisphères cérébraux. Quand cette zone est assez petite, elle peut être enlevée par une opération chirurgicale. Après cette intervention, les patients ont moins voire plus du tout de crises. Pendant toute la période où ils portent les électrodes, on peut mesurer précisément l'activité électrique dans certaines zones de leur cerveau.

La première étude, que j'ai supervisée avec le neurochirurgien Itzhak Fried, de l'Université de Californie à Los Angeles, s'inspire de résultats obtenus des années plus tôt grâce à un dispositif expérimental similaire. Nous avions découvert des neurones qui s'activaient quand le patient voyait des photos ou des portraits de personnes qu'il connaissait – personnalités politiques, célébrités, membres de sa famille... L'un de ces neurones s'allumait par exemple pour l'ancien président américain Bill Clinton, un autre pour la star hollywoodienne Jennifer Aniston, et ce indépendamment des tenues qu'elle portait ou de sa coiffure du jour. Ces neurones étaient situés dans l'hippocampe, une aire cérébrale profonde. Certains d'entre eux réagissaient non seulement à des images d'individus familiers, mais aussi à leur nom, qu'il soit écrit ou prononcé oralement.

Comment ces neurones réagissent-ils à des visages ambigus, créés artificiellement en mélangeant les portraits de plusieurs personnes ? C'est ce que nous nous sommes demandé dans la nouvelle étude.

Commencez par faire une petite expérience sur vous-même. Fixez votre regard sur le carré rouge dans le panneau supérieur de la figure ci-dessus pendant une trentaine de secondes. Du coin de l'œil, vous verrez Bill Clinton à gauche et son successeur George W. Bush à droite. Maintenant, déplacez rapidement votre regard sur le carré rouge du bas. N'hésitez pas. Faites-le ! Qu'y voyez-vous ?

La plupart des gens voient George W. Bush à gauche et Bill Clinton à droite. Maintenant, comparez les deux photos : elles sont identiques ! Il s'agit d'une combinaison des visages des deux présidents réalisée par un procédé nommé morphing. Voici donc Clintush, le 42,5e président. Après un bref instant, l'illusion disparaît.

Ce phénomène illustre l'adaptation sensorielle, une caractéristique essentielle du fonctionnement mental. Lorsque vous fixez un visage assez longtemps, les mécanismes neuronaux qui sous-tendent sa perception se recalibrent. Cela explique qu'après avoir regardé Clinton pendant un certain temps, vous percevrez Bush si vous jetez un rapide coup d'œil à Clintush.

Reconstituons maintenant le cheminement cérébral des données visuelles, qui vous a fait voir tantôt un président et tantôt l'autre dans la même image. Les premiers neurones, ceux de la rétine, sont sensibles aux contrastes lumineux des photographies. En d'autres termes, ils enregistrent une image du monde extérieur. À partir de ces données brutes, le cerveau construit l'image qui sera perçue de façon consciente. Ainsi, quelque part aux étages cérébraux supérieurs, des neurones « moulinent » l'image de Clintush pour vous faire voir Bush ou Clinton selon les circonstances.

Dans ce contexte, comment se comportent les neurones qui répondent de façon spécifique à une personne donnée ? Face à l'image de Clintush, est-ce tantôt le neurone de Clinton et tantôt le neurone de Bush qui s'allume selon le président que nous y voyons ? En d'autres termes, la réaction de ces neurones dépend-elle de l'image physique présente devant les yeux du sujet, ou bien de ce qui est vu consciemment ?

Nous avons exploré ces questions grâce à de fines électrodes que Itzhak Fried avait implantées dans le cerveau de patients épileptiques, et qui nous permettaient d'enregistrer l'activité électrique de cellules nerveuses individuelles. Nous avons ciblé un neurone qui s'activait pour la photo de Clinton et non pour celle de Bush. Le patient regardait d'abord la photo d'un des deux présidents pendant quatre secondes, puis celle de Clintush. Il devait ensuite indiquer s'il avait vu Clinton ou Bush en appuyant sur le bouton correspondant. Comme vous tout à l'heure, il avait une plus grande probabilité de voir Clinton s'il venait d'être exposé à Bush, et vice-versa.

Si la réaction du neurone de Clinton n'avait dépendu que de l'image externe, il aurait dû s'activer toujours de la même façon devant Clintush, que le patient perçoive Clinton ou Bush. Or ce n'est pas ce que nous avons observé : ce neurone ne répondait que lorsque l'image de Clinton se formait dans l'esprit, autrement dit quand Clintush était perçu comme Clinton. Il s'activait d'ailleurs de la même façon quand le sujet voyait une photo de Clinton et quand il reconnaissait ce dernier dans la photo de Clintush. La réaction de ce type de neurone dépend donc de l'image perçue consciemment.

Deux interprétations sont possibles. Soit ces neurones (qui communiquent avec l'aire fusiforme des visages) participent à la décision mentale « Clinton » ou « Bush », soit ils sont à l'origine de l'expérience consciente du visage. Les expériences futures devront trancher. Pour explorer plus avant la question, les chercheurs pourraient par exemple activer artificiellement ces neurones, puis demander au sujet s'il a vu quelque chose, ou perturber leur activité pour déterminer si cela affecte la perception des visages.

Perturber les neurones pour changer la perception

Cette seconde méthode a déjà été appliquée ailleurs dans le cerveau, plus précisément au sein de l'aire fusiforme des visages, par le neurologue Josef Parvizi, le psychologue Kalanit Grill-Spector et leurs collègues de l'Université Stanford. Un patient épileptique, Ron Blackwell, était venu consulter dans la clinique de Parvizi, car les médicaments qu'il prenait depuis l'enfance ne parvenaient plus à prévenir ses crises. Pour localiser le foyer épileptique et déterminer la zone qu'il était possible de retirer sans provoquer de séquelles, l'équipe de Parvizi a implanté des électrodes dans le cerveau de Blackwell. Elle a ainsi pu non seulement enregistrer l'activité neuronale, mais aussi stimuler les régions cérébrales adjacentes en leur appliquant un courant électrique.

Aussi bien cette technique que la classique IRM fonctionnelle ont révélé un groupe de régions corticales répondant fortement aux visages, ceci dans les deux hémisphères cérébraux. Cela offrait une opportunité unique de répondre à une question intriguante : que percevrait Blackwell si on perturbait l'activité électrique normale au sein de ces réseaux neuronaux spécialisés dans le traitement des visages ?

Une vidéo (à voir sur www.jneurosci.org/content/32/43/14915.full) retrace le déroulé de l'expérience. Parvizi déclare au patient : « Regardez mon visage et dites-moi ce qui se passe lorsque je fais ceci. » Dans un premier temps, il fait semblant d'injecter du courant. Blackwell secoue la tête et murmure : « Rien. » Mais lorsqu'un courant de quatre milliampères est envoyé à travers l'électrode, il s'exclame : « Vous venez juste de vous transformer en quelqu'un d'autre. Votre visage s'est métamorphosé. Votre nez s'est affaissé et s'est déplacé vers la gauche. Vous ressembliez presque à quelqu'un que j'avais déjà vu, mais quelqu'un de différent. Quel trip ! »

L'expérience a été renouvelée sept fois. Sept fois, Blackwell a perçu de telles distorsions faciales. « Il n'y a que votre visage qui changeait. Tout le reste demeurait identique », a-t-il souligné. Dans quatre autres essais où le chercheur feignait d'envoyer du courant, le cerveau n'était pas dupe et rien ne se produisait. De même, l'activation des électrodes insérées dans une autre région cérébrale avait peu d'impact. Cette procédure a été répétée avec neuf autres patients et a donné les mêmes résultats.

Précisons cependant qu'une étonnante asymétrie gauche-droite se manifestait : les distorsions faciales ne se produisaient que pour les stimulations électriques dans l'aire fusiforme des visages de l'hémisphère droit, et jamais pour son équivalent gauche. Dans ce dernier cas, la stimulation n'avait aucune influence ou entraînait des changements perceptifs de plus bas niveau : le sujet voyait par exemple des phosphènes, c'est-à-dire des scintillements, des chatoiements, des balles bleues et blanches en mouvement, des éclairs lumineux... Mais le visage perçu ne se déformait pas.

Pourtant, l'IRM et les enregistrements de l'activité des neurones avaient montré que l'aire fusiforme des visages de l'hémisphère gauche était aussi corrélée à la perception des visages. Pourquoi celle-ci n'était-elle alors pas plus perturbée par les courants électriques ? C'est une autre leçon de cette magnifique expérience : ce n'est pas parce que l'activité d'une région cérébrale ou d'un neurone est corrélée avec un phénomène, comme la vision des visages ou la prise de décision, que cette région est nécessairement impliquée dans ce phénomène. Disons que si elle ne s'active pas, la probabilité est encore moindre.

 

Christof Koch

Christof Koch est professeur à l'Institut de technologie de Californie (Caltech) et directeur scientifique de l'Institut Allen pour les sciences du cerveau à Seattle, aux États-Unis.