Les gestes faciaux des macaques sont plus qu’un simple réflexe, révèle une étude
Les récentes avancées dans les interfaces cerveau-ordinateur ont permis d’extraire plus précisément la parole à partir de signaux neuronaux chez les humains, mais le langage n’est qu’un des outils que nous utilisons pour communiquer. « Quand mon jeune neveu demande une glace avant le dîner et que je dis ‘non’, le sens est entièrement dicté par le fait que le mot soit ponctué d’un sourire narquois ou d’un froncement de sourcils sévère », explique Geena Ianni, neuroscientifique à l’Université de Pennsylvanie. C’est pourquoi, à l’avenir, elle pense que les prothèses neurales destinées aux patients victimes d’un AVC ou de paralysie décoderont les gestes faciaux à partir de signaux cérébraux de la même manière qu’elles décodent la parole.
Pour poser les bases de ces futurs décodeurs de gestes faciaux, Ianni et ses collègues ont conçu une expérience pour découvrir comment fonctionne réellement le circuit neural responsable des expressions du visage. « Bien que ces dernières années, les neurosciences aient bien compris comment le cerveau perçoit les expressions faciales, nous savons relativement peu de choses sur la façon dont elles sont générées », dit Ianni. Et il s’est avéré qu’une partie étonnamment importante de ce que les neuroscientifiques supposaient sur les gestes faciaux était fausse.
La méthode naturelle
Pendant longtemps, les neuroscientifiques pensaient que les gestes faciaux chez les primates découlaient d’une division nette du travail dans le cerveau. « Des rapports de cas de patients présentant des lésions cérébrales suggéraient que certaines régions cérébrales étaient responsables de certains types d’expressions émotionnelles tandis que d’autres régions étaient responsables de mouvements volontaires comme la parole », explique Ianni. Nous avons développé une image plus claire de la parole en retraçant l’origine de ces mouvements jusqu’au niveau des neurones individuels. Mais nous n’avons pas fait de même pour les expressions faciales. Pour combler cette lacune, Ianni et son équipe ont conçu une étude utilisant des macaques, des primates sociaux qui partagent la majeure partie de leur musculature faciale complexe avec les humains.
L’étude a commencé par placer les macaques dans un scanner IRMf pour surveiller leur activité cérébrale tout en enregistrant leurs visages avec une caméra haute résolution. L’équipe a ensuite exposé les participants à divers stimuli : des vidéos avec d’autres macaques leur faisant des grimaces, des avatars interactifs ou d’autres macaques vivants. « Cela a suscité des expressions faciales socialement significatives qui font partie du répertoire naturel des sujets », dit Ianni.
Sur la base de l’analyse vidéo, les scientifiques ont identifié trois gestes faciaux sur lesquels ils voulaient se concentrer : le claquement de lèvres que les macaques utilisent pour signaler la réceptivité ou la soumission ; la grimace de menace qu’ils font lorsqu’ils veulent défier ou chasser un adversaire ; et la mastication, un mouvement volontaire non social. Ensuite, en utilisant les scanners IRMf, l’équipe a localisé les zones cérébrales clés impliquées dans le déclenchement de ces gestes. Et quand cela a été fait, Ianni et ses collègues sont allés plus loin, littéralement.
Sous le capot
« Nous avons ciblé ces zones cérébrales avec une précision sous-millimétrique pour l’implantation de réseaux de micro-électrodes », explique Ianni. Cela a permis à son équipe, pour la première fois, d’enregistrer simultanément l’activité de nombreux neurones répartis dans les zones où le cerveau génère des gestes faciaux. Les électrodes ont été placées dans le cortex moteur primaire, le cortex prémoteur ventral, le cortex somatosensoriel primaire et le cortex moteur cingulaire. Une fois en place, l’équipe a de nouveau exposé les macaques au même ensemble de stimuli sociaux, recherchant des signatures neuronales des trois gestes faciaux sélectionnés. Et c’est là que les choses ont pris une tournure surprenante.
Les chercheurs s’attendaient à voir une division claire des responsabilités, où le cortex cingulaire gouverne les signaux sociaux, tandis que le cortex moteur est spécialisé dans la mastication. Au lieu de cela, ils ont constaté que chaque région était impliquée dans chaque type de geste. Que les macaques menacent un rival ou profitent simplement d’une collation, les quatre zones cérébrales s’activaient dans une symphonie coordonnée.
Cela a conduit l’équipe d’Ianni à se demander comment le cerveau distinguait les gestes sociaux de la mastication, puisque ce n’était apparemment pas une question de localisation du traitement de l’information dans le cerveau. La réponse résidait dans différents codes neuronaux, différentes façons dont les neurones représentent et transmettent l’information dans le cerveau au fil du temps.
La hiérarchie temporelle
En analysant la dynamique des populations neuronales, l’équipe a identifié une hiérarchie temporelle dans le cortex des macaques. Le cortex cingulaire utilisait un code neural statique. « Le terme statique signifie que le schéma d’activation des neurones est persistant à la fois sur plusieurs répétitions du même geste facial et dans le temps », explique Ianni, et maintenaient leur schéma d’activation jusqu’à 0,8 seconde après. « Un seul décodeur qui apprend ce schéma pourrait être utilisé à tout moment ou pendant n’importe quel essai pour lire l’expression faciale », dit Ianni.
Les taux d’activation dans le cortex moteur et somatosensoriel, en revanche, semblaient radicalement différents. Cela suggère qu’il existe un code neural dynamique défini par des relations de taux d’activation qui changent rapidement parmi les populations neuronales.
L’équipe pense que cela signifie que le cortex cingulaire gère le but social et le contexte du geste facial, qui est relativement stable. C’est peut-être là que le cerveau intègre des indices sensoriels, comme l’apparence de l’expression d’un autre singe, avec son propre état interne pour produire le bon geste facial pour l’occasion.
Les zones à code dynamique mettent en œuvre cette expression en commandant les muscles individuels. « Elles contrôlent la cinématique comme ‘bouger cette lèvre d’un millimètre vers la gauche, maintenant d’un millimètre vers la droite' », explique Ianni. Ces mouvements minuscules constants des muscles sont nécessaires car les expressions faciales sont généralement dynamiques : les paupières, les lèvres, les joues et les oreilles des macaques se contractent et changent constamment de position même si l’effet final semble immobile de loin.
Le voyage commence
Mais ce n’est que le début d’un long voyage.
« Il y a eu des avancées fabuleuses et impressionnantes dans le domaine des dispositifs de communication assistée même depuis que j’ai commencé ce projet », dit Ianni, et elle cite comme exemple les prothèses neurales développées par l’équipe de Maitreyee Wairagkar couvertes par Ars en 2025. Construire une prothèse neurale similaire pour décoder les gestes faciaux ne se fera probablement pas du jour au lendemain, cependant. Nous sommes encore assez loin de vraiment restaurer la capacité de communiquer par gestes faciaux aux patients qui l’ont perdue.
L’étude d’Ianni est la première à avoir enregistré des neurones produisant des gestes faciaux avec des réseaux multi-électrodes. Cela signifie que nous venons tout juste de commencer à construire la science de base sur le mécanisme neural derrière la production d’expressions faciales. C’est le point où en était la technologie de décodage neural de la parole à la fin des années 1990, et nous ne pouvons toujours pas la rendre suffisamment fiable pour des produits cliniques réguliers.
Pourtant, Ianni reste pleine d’espoir. « J’espère que notre travail contribuera à permettre au domaine, ne serait-ce qu’un tout petit peu, de concevoir des communications plus naturalistes et plus riches qui amélioreront la vie des patients après une lésion cérébrale », dit-elle.
