Si vous avez déjà consommé de puissantes drogues hallucinogènes (par inadvertance, bien sûr) où certains médicaments, ou par simple curiosité, vous pourriez vous demandez ce qui peut crée ces formes géométriques étranges. Quel mécanisme est derrière cet effet bizarre ?

Mais une nouvelle étude pose une autre question, non pas “Pourquoi est-ce que surviennent les hallucinations ?", mais "Pourquoi ne se produisent elles pas tout le temps ?"

Nous comptons sur notre cortex visuel, situé à l’arrière de notre cerveau, pour traiter les images que nous voyons. Lorsque la lumière pénètre l’œil, il stimule certaines parties dans le cortex visuel, formant un modèle de neurones excités, que nous acceptons comme une image. Mais de temps en temps, ces modèles d’excitation surgissent spontanément, écrasant le signal visuel de l’œil pour causer des hallucinations géométriques. Ce “mode de défaillance” ne survient que lorsqu’une certaine influence, comme les médicaments ou certaines drogues, compromet notre fonction cérébrale normale. (Nous ne parlerons pas ici de l’effet de l’alcool qui vous permet de mieux apprécier votre voisin(e) que vous trouviez, auparavant, moche !)

Le modèle de neurones qui permet de visualiser des choses qui ne sont pas là, survient à cause d’un type d’auto organisation de diffusion (réaction-diffusion) appelé les structures de Turing (morphogénèse), qui contribue à la création de schémas dans certains systèmes biologiques et écologiques.

Comme l’auteur de l’étude Nigel Goldenfeld (Professeur de physique à l’université de l’Illinois,Urbana-Champaign et à l’institut universitaire de biologie génomique) le décrit :

Normalement, nous pensons à la diffusion comme un processus qui lisse les choses. Pensez à une distribution de densité inégale dans un gaz. Alors que les atomes se diffusent, la densité devient uniforme. Lorsque vous avez de la diffusion avec des réactions chimiques non linéaires se produisant, c’est le contraire qui se passe . Les différents types chimiques se séparent et forment des domaines composition chimique distincts. Cela a été la surprenante découverte d’Alan Turing.

Les Fondements chimiques de la morphogénèse (A. Turing), réaction-diffusion.

Alan Turing et ses modèle de structures que l’on retrouve aussi bien au niveau chimique qu’écologique.

Ces “modèles de Turing" se forment dans les systèmes de réaction-diffusion qui contiennent deux forces contradictoires : un activateur et un inhibiteur. Par exemple, dans un système écologique prédateur-proie, les proies sont les activateurs, en essayant de se reproduire, tandis que les prédateurs agissent comme inhibiteurs, ce qui ralentit le taux de production des activateurs”. Précise Goldenfeld :

Un autre système, où les modèles de Turing se posent, est l’écologie. Plutôt que des réactions chimiques, vous avez des interactions entre les espèces : par exemple, une créature A mange une créature B. Si vous prenez en compte la naissance et la mort, la concurrence des prédateurs et le fait que le taux de natalité dépend de la densité des espèces, vous trouvez que les équations régissant les distributions spatiales et temporelles des espèces sont les mêmes que celles décrivant des réactions chimiques. Ainsi vous pouvez obtenir les modèles de l’abondance élevée et basse des espèces.

Dans le cerveau, l’activation d’un neurone peut encourager ou empêcher l’activation de ses voisins connectés, ce qui signifie que les neurones peuvent agir à la fois comme activateurs et inhibiteurs, ce qui rend les modèles de Turing possibles. En fait, les chercheurs suggèrent que si le cortex visuel avait une structure un peu différente, le mécanisme de Turing produirait en lui des structures neurales spontanées tout le temps, conduisant à des hallucinations permanentes. Même si cela pourrait être distrayant, on pourrait à peine percevoir notre environnement.

Au lieu de cela, les chercheurs postulent que la topologie du cortex visuel ne permet pas aux signaux "inhibiteur" de parcourir de longues distances, ce qui est une exigence pour le mécanisme de Turing. Cela empêche celui-ci de fonctionner correctement, donnant aux neurones des modèles de diffusion uniformes, plutôt que des modèles de Turing géométriques. Sans le mécanisme de Turing pour créer des schémas d’excitation neuronale interférant, les schémas dominants seront basés sur des stimuli externes, à savoir les signaux visuels normaux des yeux.

Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont créé deux modèles, l’un basé sur la structure actuelle du cortex visuel et l’autre un “réseau alternatif physiologiquement plausible." Les auteurs, parmi lesquels figurent Thomas Charles Butler, Marc Benayoun, Edouard Wallace, Wim van Drongelen, et Jack Cowan, en plus de Goldenfeld, écrivent,

“Nous montrons que les structures du réseau alternatif dégradent nettement la fonction visuelle, ainsi en lumière les avantages fonctionnels de la structure du réseau effectivement réalisé normale dans le cortex visuel primaire."

Lorsque vous prenez des médicaments psychotropes, qui perturbent l’activité normale de votre cerveau, vous pouvez voir des hallucinations géométriques comme l’image ci-dessous qui découle du réseau alternatif. Si votre cerveau était structuré ainsi, vous pourriez voir un motif géométrique se superposant à votre vision tout le temps.

Dans le modèle du cortex visuel réel, au contraire, le mécanisme de Turing lisse, créant ce même modèle uniforme, qui pourrait facilement être remplacé par un apport visuel.

Il aurait été physiquement possible, pour le cortex visuel, de s’être développé en la structure du réseau alternatif. Mais la sélection naturelle privilégie une vue sans brouillard, évoluant un cortex visuel avec les contraintes nécessaires pour éviter les hallucinations… à moins, bien sûr, que vous ayez un argument chimique.

L’étude publiée sur PNAS : Evolutionary constraints on visual cortex architecture from the dynamics of hallucinations.