Illusions et hallucinations visuelles : une porte sur la perception

Hallucination ? Ashley Bean/Unsplash

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, 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.

Illusion de Hering : deux lignes parallèles (en rouge) paraissent bombées quand elles sont placées sur un faisceau de lignes convergentes. WP :https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hering_illusion.svg, Author provided

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 !

The dress. WP :NFCC/Wikipedia

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 : 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.

Couleur des robes : le contexte d’illumination ambiante permet de concilier les deux interprétations les plus communes. WP :NFCC/Wikipedia, Author provided

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 1971 par 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.

En 1971, la sonde Viking prend une surprenante image de la surface de Mars. Une sculpture extraterrestre géante ? Wikipedia

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.

À basse résolution, à gauche on distingue toujours un visage… Mais à droite, il disparaît à haute résolution. La sculpture est seulement une colline martienne : nous avions halluciné ce visage. NASA/Wikipedia

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.

Cette théorie a été formalisée par le professeur Karl Friston sous le terme de principe de l’énergie libre. À ce jour, c’est l'un des rares paradigmes théoriques qui explique le fonctionnement du cerveau de façon unifiée. Nous avons contribué avec Rick Adams et Karl Friston à l’application de ce principe pour expliquer des différences entre des schizophrènes et des patients qui ne l’étaient pas. En nous focalisant sur les mouvements des yeux, nous avons démontré que ce paradigme permet d’expliquer les différences observées chez les schizophrènes dans les mouvements dits de poursuite lente. À terme, cette voie de recherche peut nous aider à une meilleure compréhension de ce désordre mental.

Illusions et hallucinations

À la différence des illusions visuelles, les hallucinations émergent sans stimulation sensorielle directe. Témoin, le mouvement induit dans l’image, ci-dessous, 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 ?

Les serpents qui tournoient. Cette illusion crée par le professeur Akiyoshi Kitaoka induit des hallucinations de mouvements dans une image qui n’en contient pas. Akiyoshi Kitaoka, CC BY

Une hypothèse novatrice proposée par Paul Bressloff et ses collègues en 2002 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.

Modèles d’hallucination sous drogues : une modélisation mathématique permet de prédire leur forme. P. Bressloff, Author provided

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.