Photic memory for executive brain responses

Abstract

Light is a powerful stimulant for human alertness and cognition, presumably acting through a photoreception system that heavily relies on the photopigment melanopsin. In humans, evidence for melanopsin involvement in light-driven cognitive stimulation remains indirect, due to the difficulty to selectively isolate its contribution. Therefore, a role for melanopsin in human cognitive regulation remains to be established. Here, sixteen participants underwent consecutive and identical functional MRI recordings, during which they performed a simple auditory detection task and a more difficult auditory working memory task, while continuously exposed to the same test light (515 nm). We show that the impact of test light on executive brain responses depends on the wavelength of the light to which individuals were exposed prior to each recording. Test-light impact on executive responses in widespread prefrontal areas and in the pulvinar increased when the participants had been exposed to longer (589 nm), but not shorter (461 nm), wavelength light, more than 1 h before. This wavelength-dependent impact of prior light exposure is consistent with recent theories of the light-driven melanopsin dual states. Our results emphasize the critical role of light for cognitive brain responses and are, to date, the strongest evidence in favor of a cognitive role for melanopsin, which may confer a form of "photic memory" to human cognitive brain function.fMRI | non-image-forming

La lumière comme stimulant de l’activité cognitive cérébrale

“…Un impact de la lumière sur le flux d'informations des boucles thalamocorticales pourrait affecter de larges territoires corticaux. Enfin, l'activité de l'hippocampe et de l'amygdale, respectivement impliquées dans la mémoire à long terme et dans la régulation des émotions, est aussi affectée par la lumière [6,11,12]. Au niveau cortical, nos résultats montrent que l'impact de la lumière dépend du processus cognitif en cours.…”

“…Une tâche plus attentionnelle mettra en évidence des modulations au niveau du cortex dorsolatéral préfrontal et du sillon intrapariétal [9,12]. Une tâche de mémoire de travail, mettant en jeu des fonctions exécutives (comparaison, mise à jour) en plus de l'attention, verra l'activité de régions pariétales supérieures impliquées dans ces processus, ainsi que celle des régions fronto-polaires et ventrolatérales du cortex préfrontal affectées par la lumière [7,8,11,13]. Il est important de souligner que ces régions préfrontales sont considérées actuellement comme au sommet de la hiérarchie cognitive et engagées dans les processus les plus complexes [14,37], soulignant l'importance de la lumière pour les fonctions cognitives supérieures.…”

“…Il restait à établir l'implication des CGR à mélanopsine chez des personnes aux fonctions visuelles normales. Nous avons démontré que chez ces individus, l'influence d'une lumière donnée sur l'activité cérébrale nécessaire à une tâche auditive de mémoire de travail dépendait de la longueur d'onde de la lumière reçue précédemment [11]. Notre protocole était conçu de telle sorte que les cônes et les bâtonnets ne pouvaient être responsables de cet effet, et seules les propriétés de la méla-nopsine pouvaient l'expliquer.…”

“…Ainsi, alors que les personnes que nous enregistrions étaient placées dans des conditions strictement identiques, l'impact d'une lumière test sur l'activité du pulvinar et du cortex préfrontal était augmenté si une exposition à une lumière orange précédait l'enregistrement (de plus d'une heure, avec une période d'obscurité totale entre la lumière orange et la lumière test). Cette dernière étude constitue la démonstration la plus claire à ce jour d'un rôle dans la cognition de la mélanopsine et des CGR qui sont exprimés chez des individus aux fonctions visuelles normales [11]. L'influence de l'historique lumineux pourrait donner à la mélanop-sine un rôle de « mémoire lumineuse » pour la cognition, en inté-grant l'exposition lumineuse sur de longues périodes de temps.…”

“…Il a été démontré qu'une exposition lumineuse augmentait directement les performances pour des tâches mettant en jeu des processus exécutifs, tels qu'inhibition, changement de tâche (shifting), mise à jour, processus mnésiques incluant mémoire de travail et mémoire à long terme, et processus attentionnels [4]. La lumière réduit aussi directement la puissance spectrale à l'éveil des bandes de fréquences delta (0,5-4 Hz), thêta (4-8 Hz) et alpha (8)(9)(10)(11)(12) Hz) de l'électroencéphalogramme (EEG), ainsi que les mouvements oculaires lents, qui sont tous des marqueurs de somnolence et de déficits attentionnels [5]. Ces derniers résultats constituent en fait les premiers éléments des mécanismes cérébraux responsables de l'effet stimulant de la lumière.…”