Des illusions visuelles aux hallucinations: une porte sur la perception

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Authors

• Laurent U Perrinet
  0000-0002-9536-010X · laurentperrinet · laurentperrinet
  Institut de Neurosciences de la Timone, CNRS / Aix-Marseille Université · Funded by ANR project “Horizontal-V1” N°ANR-17-CE37-0006.

Résumé

Soudain, votre voisin s’envole dans les airs tandis que la rivière remonte son cours et que des serpents se mettent à tourner… Les illusions visuelles, créations d’artistes ou de scientifiques sont très populaires auprès du public qui les diffuse largement sur les réseaux sociaux. Amusantes, elles nous en apprennent beaucoup sur le fonctionnement du cerveau. En particulier quand l’illusion devient hallucination visuelle, pour cause de maladie par exemple. Chercheur à l’Institut de Neurosciences de la Timone à Marseille, je m’y suis intéressé et voudrait ici vous expliquer comment et pourquoi une image peut tromper nos sens ou des objets voyager dans le temps. L’idée sous-jacente est celle d’une théorie de la vision envisagée comme un processus actif en relation directe avec le monde qui nous entoure.

Illusion visuelle et hallucinations

L’étymologie du mot illusion se réfère à la tromperie. On définit donc les illusions visuelles comme une stimulation de la vue qui induit une perception décalée par rapport à sa réalité physique. Dans l’illusion classique dite de Hering par exemple (voir Figure 1), deux lignes parallèles placés sur un faisceau de lignes convergentes semblent courbées comme si le centre de l’image avait gonflé par rapport à sa périphérie. Cette illusion perdure même si l’on prend une règle pour vérifier physiquement le parallélisme des lignes (ou simplement en enlevant les lignes fuyantes): il n’est pas possible de ne pas la percevoir.

Ainsi, dans cette grande variété d’illusions, statiques ou dynamiques, visuelles ou encore portant sur d’autres sens comme le toucher, se dégage une unité derrière une perception intuitive, partagée universellement: les illusions n’ont pas besoin de mode d’emploi!

Certaines illusions sont cependant sujettes à interprétations différentes. Ainsi, le cube de Necker. De même, celle dénommée #LaRobe, très populaire sur les réseaux sociaux. Cette image a le pouvoir de diviser une population entre des perceptions alternatives: est-ce une robe blanche et or ou bien est-elle bleue avec des bandes noires? Tout est parti d’une simple photo prise lors de la préparation d’une cérémonie de mariage: un vrai exemple de sérendipité! Et alors vous, lectrices et lecteurs, quel serait votre choix?

Même si le débat fait toujours rage, les explications scientifiques concernant cette robe convergent sur une perception de la couleur de la figure modifiée par le contexte du fond. Notre système visuel doit en effet pouvoir identifier la couleur d’un objet (par exemple pour évaluer la maturité d’un fruit) quelles que soient les conditions lumineuses, que ce soit avec la lumière crue du midi ou la lumière orangée du soir. Ici le fond est surexposé et rend cette interprétation ambiguë et deux interprétations sont possibles pour cette image comme illustré dans la figure ci-dessous 3 : L’illumination ambiante vire-t-elle vers le jaune (la robe est alors perçue bleue) ou le contexte est plutôt bleuâtre (la robe est alors blanche et jaune)? Je peux vous dévoiler que, sur un échantillon représentatif, une courte majorité perçoit la robe en bleue et noir.

Un aspect remarquable de cette illusion est sa stabilité et, également, la difficulté de changer d’interprétation une fois une première interprétation formée. Cette illusion est à mes yeux d’autant plus intéressante qu’elle montre que pour chaque perception, il y a une interprétation de l’image par notre système visuel. Cela signifie qu’une fonction de notre cerveau est de pouvoir interpréter l’image projetée par le même objet physique de la façon la plus appropriée. Ainsi, des groupes humains peuvent avoir des façons contrastées de percevoir des objets physiques qui sont physiquement identiques. C’est là matière à un nouveau proverbe: oui, «l’illusion est humaine»!

Pour aller plus loin, il est intéressant de considérer cette image prise en 1971par la sonde Viking d’une partie de la surface de la planète Mars (Figure 6). L’image est relativement floue, elle contient des points noirs (des erreurs de mesure détectées), mais l’on distingue très clairement un visage de type humain comme une sculpture géante laissée là par une civilisation extraterrestre.

Quelque 20 ans plus tard, de nouvelles images réalisées par de nouvelles sondes spatiales montrent de nouveau une forme de visage. Mais une fois la résolution de l’image affinée, les détails du relief révèlent qu’il n’y a pas de sculpture de ce type mais seulement… un simple rocher. C’est un cas de paréidolie: quelque chose est perçu alors qu’il est physiquement absent. De la même façon, on peut voir un cheval courir dans les nuages, ou le visage du Christ dans un toast. Le constat est le même: le système visuel, non seulement interprète les images, mais surtout, il ne sait pas faire autrement que de générer une interprétation à partir d’images, et comme on vient de le voir même si elles ne font pas sens a priori. Ce genre d’illusion se rapproche donc d’une hallucination, qui elle peut être définie comme une perception sans objet.

Pour résumer, les illusions visuelles nous révèlent des caractéristiques essentielles de notre perception visuelle. Malgré la diversité des formes des illusions visuelles et la diversité des explications, existe-t-il des points communs qui permettraient d’en avoir une compréhension unifiée? Quelles pourraient être les liens profonds entre illusions visuelles et hallucinations?

Prédire pour mieux percevoir

En particulier, l’anatomie de notre cerveau induit des délais temporels et notre travail de recherche nous a conduit à émettre l’hypothèse que le cerveau utilise les régularités statistiques du monde pour arriver d’une façon ou d’une autre à compenser ces délais et à «prédire le présent». Une telle hypothèse permet de formaliser un bon nombre d’illusions et en particulier l’illusion de Hering ci-dessus. En effet, les lignes fuyantes donnent une perspective et induisent un mouvement significatif, comme une marche vers le point de fuite. Les courbes horizontales de la figure de Hering sont le plus probablement interprétées comme perpendiculaires à l’axe de vision et à celui de la marche. Elles sont alors inconsciemment anticipées dans l’espace de l’œil de telle sorte à ce que leur position est prédite à l’instant présent, d’où la forme bombée caractéristique de la perception dans cette illusion. Une extension de cette hypothèse est que le cerveau construit constamment une image mentale de la scène visuelle par des processus prédictifs.

[ Avant d’essayer de donner une réponse à ces questions, rappelons une contrainte fondamentale à laquelle notre cerveau est confronté : l’environnement et dynamique et notre cerveau est (relativement) lent pour traiter ces informations. En effet les travaux de Simon Thorpe à Toulouse au Cerco ont montré des capacités ultra-rapide de catégorisation d’image chez les primates. Cette vitesse peut atteindre environ 100 ms chez l’humain [1] et 80 ms chez le singe. C’est remarquablement rapide mais relativement long si l’on considère cette fois-ci une tâche simple d’interception d’un objet en mouvement. Considérons par exemple un agent qui suit une balle de tennis lancée à une vitesse de 20 m/s à une distance de 1 m devant son regard. Au moment de passer dans l’axe de vision du joueur de tennis, la balle va être perçue en arrière de la trajectoire à cause du délai sensoriel. Plus précisément la balle est placée à l’instant où l’image est prise à environ 45° d’angle visuel en retard sur la position réelle actuelle de la balle. À noter que la position de la balle est sur l’axe de vision (telle celle figurée par cette position des yeux), mais que pour le système sensoriel, cette position au temps présent doit être anticipée. Notons aussi que la position de la balle, dans cette représentation rétinienne, au moment où l’action sera réalisée (après le délai sensorimoteur total) pourra être estimée à partir de la continuité du mouvement de la balle. C’est-à-dire qu’elle sera encore environ à 45° d’angle visuel mais cette fois-là en avant de la trajectoire, dans son futur. Il semble incroyable que ce genre de voyage dans le temps puisse s’opérer dans notre cerveau, mais une simple illusion visuelle permet de mettre ces mécanismes en évidence.

En particulier, l’illusion du flash retardé (“Flash Lag Effect” en anglais) permet de mettre en évidence des dynamiques de traitement dans le système visuel. Dans cette illusion, l’observateur doit fixer environ au centre de l’écran. Une cible en mouvement horizontal apparaît et quand elle passe aux environs du centre de l’écran, un bref flash est présenté immédiatement au-dessous du centre de l’image. Perceptivement, on observe chez une vaste majorité d’observateurs que la cible en mouvement est perçue, au moment du flash, en avant de la trajectoire. L’hypothèse originale de Romi Nijhawan propose que la cible est perceptivement représentée de telle façon à ce qu’elle occupe sa position au temps présent, donc de manière anticipée. Par contre, le flash est imprévu et sa position ne peut pas être anticipée. C’est ce que nous avons montré dans ce travail de modélisation qui montre une évaluation quantitative des productions d’un tel modèle [2].

Plus généralement, ce travail nous a conduit à émettre l’hypothèse que le cerveau utilise les régularités statistiques du monde pour arriver d’une façon ou d’une autre à compenser les contraintes de délai et par exemple à « prédire le présent ». Une telle hypothèse permet de formaliser un bon nombre d’illusions et en particulier l’illusion de Hering que nous avons défini ci-dessus. En effet, les lignes fuyantes donnent un contexte de perspective et induisent un mouvement écologiquement significatif, comme une marche vers le point de fuite. À ce titre, les courbes horizontales de la figure de Hering sont le plus probablement perpendiculaires à l’axe de vision et à celui de la marche. Au niveau perceptif, elles sont donc placées à des distances différentes de l’œil et sont alors anticipées dans l’espace rétinien de telle sorte à ce que leur position est prédite à l’instant présent, d’où la forme bombée caractéristique de la perception dans cette illusion. Une extension de cette hypothèse est que le cerveau construit par des processus prédictifs une image mentale de la scène visuelle. Une telle hypothèse permet de développer un formalisme théorique complet qui peut être validé quantitativement vis-à-vis de notre compréhension actuelle du cerveau. ]{.banner .lightred}

Cette théorie a été formalisée par le professeur Karl Friston [3] sous le terme de principe de minimisation de l’énergie libre. À ce jour, c’est le seul paradigme théorique qui soit aussi complet pour expliquer le fonctionnement global du cerveau. Sans rentrer dans les détails mathématiques de ce principe, cette théorie permet de formaliser des modèles génératifs pour toute sensation qui est reçue par nos organes et de considérer une représentation interne comme un état dit caché, c’est-à-dire un état ou une représentation interne que l’on va essayer d’estimer. L’ensemble de ces hypothèses définit un système dont on déduit ensuite une variable globale dite d’énergie libre, qui donne une borne supérieure à la surprise de l’agent connaissant un modèle génératif, des sensations, des états internes et des actions effectuées. L’agent peut alors minimiser cette variable propre pour prédire au mieux son état, comme la position d’une cible. On peut aussi considérer un agent qui puisse agir sur cet environnement et on parle alors d’inférence active. En utilisant cette formalisation, il est alors possible de l’exprimer sous forme d’équations qui reprennent la structure du passage d’information dans le graphe formé par les différentes régions cérébrales. Depuis les aires sensorielles comme la rétine aux aires associatives comme celles qui forment les voies visuelles jusqu’aux aires cérébrales regroupant les motoneurones qui vont permettre de générer une action motrice et un comportement.

Nous avons contribué avec Rick Adams et Karl Friston à l’application de ce principe pour expliquer des différences entre des patients typiques et des schizophrènes. En se focalisant sur les mouvements des yeux, nous avons démontré que ce paradigme permet d’expliquer les différences dans les mouvements dit de poursuites lente [4]. Il est alors remarquable d’observer en perturbant dans le modèle les gains synaptiques des voies descendantes, c’est-à-dire celle qui permet d’affiner le modèle interne de représentation du monde, ont répliqué des caractéristiques comportementales des patients schizophrènes. En particulier, ces mouvements sont expliqués dans ce modèle comme une forme de « délusion », qui consiste à accorder un poids relatif exagéré aux croyances représentées par le cerveau par rapport à celle apportées par les sens. Cette approche est actuellement étendue par le docteur Richard Adams afin d’apporter à terme des solutions thérapeutiques et une meilleure compréhension de pathologies comme la schizophrénie.

Illusions et des hallucinations

À la différence des illusions visuelles, les hallucinations émergent sans stimulation sensorielle directe. Témoin, le mouvement induit dans l’image, Figure 7, des serpents qui tournoient. Mais comment peut-on expliquer la formation d’images hallucinées, comme celle induite par la prise de drogue ou de psychotropes? Peut-on alors identifier des mécanismes qui sont impliqués dans le cerveau, et définir une neuro-anatomie fonctionnelle qui puisse expliquer ces illusions et hallucinations?

Une hypothèse novatrice proposée par Paul Bressloff et ses collègues en 2002 [5] est de voir l’origine de certaines illusions ou d’hallucinations dans l’interaction entre structures du cerveau avec la représentation de l’espace visuel sur la surface de notre cortex visuel primaire, la partie de notre cerveau qui représente les éléments les plus simples de l’image visuelle. Cette carte corticale représente notamment des bords élémentaires en privilégiant une résolution plus fine au centre du champ visuel. Ces auteurs ont analysé mathématiquement les états du système quand on perturbe certains paramètres du système, et notamment les interactions dans la carte corticale.

Ils ont alors montré un point essentiel: à partir d’un certain seuil de prise de drogue, des «hallucinations» peuvent émerger comme des structures stables dans la carte corticale. Étonnamment, ces états peuvent être visualisés en les reprojetant sur l’espace visuel et ils dessinent alors des spirales et des ensembles de lignes qui sont très proches des hallucinations telles qu’elles ont été rapportées après la prise de drogues diverses allant de la marijuana au peyotl ou à la mescaline, voir Figure 8. Ce type de modélisation permet d’un côté d’expliquer la formation d’hallucinations, mais aussi de définir une «neuro-géométrie», c’est-à-dire un formalisme mathématique reliant neurosciences et la géométrie des relations existant entre des sous modules du cortex visuel primaire. On peut aussi imaginer alors des hallucinations plus complexes émerger de réseaux plus complexes qui représentent par exemple des superpositions de visages.

Pour aller plus loin :

Dans cette direction, peut-on étendre cette méthodologie à la dynamique présente dans certaines illusions, comme celle du « Point-Ligne » ? En effet, en présentant un simple point puis une ligne on induit une perception d’une expansion du point pour « remplir » la ligne (un mouvement dit Phi). L’originalité de l’étude de Jancke et collègues est d’utiliser une technique d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité sur le cortex visuel primaire (ici du chat anesthésié) lors de la présentation de cette illusion d’optique. À noter qu’en comparant l’activité produite par les deux éléments présentés séparément ou conjointement, on met en évidence une activité différentielle qui est caractéristique de la perception de cette illusion. Une même méthodologie permet de mettre en évidence un mécanisme original. Pour cela on utilise cette fois une illusion encore plus simple qui consiste à montrer un point à une position de l’espace visuel puis un autre point exactement similaire mais à une distance proche (mais supérieure à la taille de ce point). On perçoit alors un et un seul point qui se déplace de la première à la seconde position. Au niveau des enregistrements (cette fois chez le macaque) la réponse différentielle montre que relativement à un traitement indépendant des deux points, il existe une vague d’activité qui se déplace sur le cortex qui en particulier supprime une partie de l’activité [6]. Une modélisation sur ordinateur a permis de montrer qu’une fonction de cette vague de suppression est de lever les ambiguïtés sur les différents mouvements possibles représentés sur la carte. Dans ce cas particulier, la vague permet de supprimer la représentation d’un mouvement dans le sens, voir Figure 9. Toutefois, beaucoup de questions restent en suspens. Ces résultats montrent le rôle potentiel des vagues d’activité sur la surface du cortex comme un outil potentiel de traitement de l’information et de sa modulation [7]. Ces vagues peuvent en effet induire facilitations ou suppressions dans l’espace et le temps et produire une forme de « calcul » pour représenter au mieux l’image visuelle.

Conclusion

Pour conclure, les illusions et hallucinations nous ouvrent une porte sur les possibilités de la perception mais aussi sur une compréhension des mécanismes cérébraux qui les induisent. La modélisation, notamment celle que nous proposons, offre une opportunité nouvelle d’appréhender ces mécanismes. Les outils théoriques permettant de progresser dans cette voie de recherche existent mais ne sont pas pour le moment exploités à leur plein potentiel. Ils seront essentiels pour une meilleure compréhension des illusions visuelles, des hallucinations et de ce qui peut la provoquer, mais aussi du cerveau en général.

Remerciements

Mes remerciements à Aline Richard Zivohlava pour les (nombreuses!) corrections apportées à ce texte.

References