Comment les cerveaux sont plus complexes que ce que suggère l'anatomie

Comment les cerveaux sont plus complexes que ce que suggère l'anatomie Les scientifiques sont toujours en train de reconstituer le puzzle du fonctionnement du cerveau. Yuichiro Chino / Moment via Getty Images

Le fonctionnement du cerveau reste un puzzle avec seulement quelques pièces en place. Parmi ceux-ci, un gros morceau est en fait une conjecture: qu'il existe une relation entre les structure physique du cerveau et sa fonctionnalité.

Les tâches du cerveau comprennent l'interprétation tactile, les entrées visuelles et sonores, ainsi que la parole, le raisonnement, les émotions, l'apprentissage, le contrôle précis du mouvement et bien d'autres. Les neuroscientifiques présument que c'est l'anatomie du cerveau - avec ses centaines de milliards de fibres nerveuses - qui rend toutes ces fonctions possibles. Les «fils vivants» du cerveau sont connectés en réseaux neurologiques élaborés qui donnent naissance aux capacités étonnantes des êtres humains.

Il semblerait que si les scientifiques peuvent cartographier les fibres nerveuses et leurs connexions et enregistrer la synchronisation des impulsions qui les traversent pour une fonction supérieure telle que la vision, ils devraient être en mesure de résoudre la question de savoir comment on voit, par exemple. Les chercheurs s'améliorent dans la cartographie du cerveau en utilisant tractographie - une technique qui représente visuellement les routes des fibres nerveuses à l'aide de la modélisation 3D. Et ils enregistrent de mieux en mieux la façon dont les informations circulent dans le cerveau en utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle améliorée pour mesurer le flux sanguin.

Mais malgré ces outils, personne ne semble beaucoup plus proche de comprendre comment on voit vraiment. La neuroscience n'a qu'une compréhension rudimentaire de la façon dont tout cela s'articule.

Pour remédier à cette lacune, la recherche en bio-ingénierie de mon équipe se concentre sur les relations entre la structure et la fonction du cerveau. L'objectif global est d'expliquer scientifiquement toutes les connexions - à la fois anatomiques et sans fil - qui activent différentes régions du cerveau lors de tâches cognitives. Nous travaillons sur des modèles complexes qui capturent mieux ce que les scientifiques savent du fonctionnement du cerveau.

En fin de compte, une image plus claire de la structure et de la fonction peut affiner la manière dont la chirurgie cérébrale tente de corriger la structure et, inversement, les médicaments tentent de corriger la fonction.

Comment les cerveaux sont plus complexes que ce que suggère l'anatomie Les connexions électriques en champ proche fournissent un autre niveau de communication dans le cerveau. Images PM / Stone via Getty Images


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Points chauds sans fil dans votre tête

Les fonctions cognitives telles que le raisonnement et l'apprentissage utilisent un certain nombre de régions cérébrales distinctes d'une manière séquencée dans le temps. L'anatomie seule - les neurones et les fibres nerveuses - ne peut expliquer l'excitation de ces régions, simultanément ou en tandem.

Certaines connexions sont en fait «sans fil». Ceux-ci sont connexions électriques en champ proche, et non les connexions physiques capturées dans les tractographes.

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Mon équipe de recherche travaille depuis plusieurs années à détailler les origines de ces connexions sans fil et mesurer leurs intensités de champ. Une analogie très simple de ce qui se passe dans le cerveau est le fonctionnement d'un routeur sans fil. Internet est livré à un routeur via une connexion filaire. Le routeur envoie ensuite les informations à votre ordinateur portable à l'aide de connexions sans fil. Le système global de transfert d'informations fonctionne grâce à des connexions filaires et sans fil.

Comment les cerveaux sont plus complexes que ce que suggère l'anatomie Les champs électriques proviennent de particules chargées entrant et sortant des neurones au niveau de leurs nœuds non isolés de Ranvier. ttsz / iStock via Getty Images Plus

Dans le cas du cerveau, les cellules nerveuses conduisent des impulsions électriques le long de longs bras filiformes appelés axones du corps cellulaire vers d'autres neurones. En cours de route, des signaux sans fil sont naturellement émis par des parties non isolées de cellules nerveuses. Ces taches qui n'ont pas l'isolant protecteur qui enveloppe le reste de l'axone sont appelées nœuds de Ranvier.

Les nœuds de Ranvier permettent aux ions chargés de se diffuser dans et hors du neurone, propageant le signal électrique le long de l'axone. Au fur et à mesure que les ions entrent et sortent, des champs électriques sont générés. L'intensité et la structure de ces champs dépendent de l'activité de la cellule nerveuse.

Ici au Centre mondial des réseaux neurologiques nous nous concentrons sur la façon dont ces les signaux sans fil fonctionnent dans le cerveau pour communiquer des informations.

Le monde non linéaire du cerveau

Les recherches sur la façon dont les régions cérébrales excitées correspondent aux fonctions cognitives font une autre erreur lorsqu'elles reposent sur des hypothèses qui conduisent à des modèles trop simples.

Les chercheurs ont tendance à modéliser la relation comme linéaire avec une seule variable, mesurant la taille moyenne de la réponse d'une seule région cérébrale. C'est la logique derrière le conception de la première aide auditive - si la voix d'une personne devient deux fois plus forte, l'oreille doit répondre deux fois plus.

Comment les cerveaux sont plus complexes que ce que suggère l'anatomie Les utilisateurs d'aides auditives savent que le simple fait de doubler l'entrée sensorielle est une solution rudimentaire. AndreyPopov / iStock via Getty Images Plus

Mais les aides auditives se sont considérablement améliorées au fil des ans, les chercheurs ayant mieux compris que l'oreille n'est pas un système linéaire et qu'une forme de compression non linéaire est nécessaire pour faire correspondre les sons générés aux capacités de l'auditeur. En fait, la plupart les êtres vivants n'ont pas de systèmes de détection qui répondent de manière linéaire et individuelle aux stimuli.

Les modèles linéaires supposent que si l'entrée d'un système est doublée, la sortie de ce système sera également doublée. Ce n'est pas le cas des modèles non linéaires, où de nombreuses valeurs de sortie peuvent exister pour une seule valeur de l'entrée. Et la plupart des scientifiques conviennent que les calculs neuronaux sont en fait non linéaires.

Une question cruciale pour comprendre le lien entre le cerveau et le comportement est de savoir comment le cerveau décide du meilleur plan d'action parmi les alternatives concurrentes. Par exemple, le cortex frontal du cerveau fait des choix optimaux en calculer de nombreuses quantités ou variables - calculer le gain potentiel, la probabilité de succès et le coût en temps et en efforts. Étant donné que le système n'est pas linéaire, doubler le gain potentiel peut rendre une décision finale beaucoup plus de deux fois plus probable.

Le flux d'informations à travers le cerveau est beaucoup plus complexe et dynamique qu'un modèle 2D ne peut le représenter correctement.

Les modèles linéaires passent à côté de la riche variété de possibilités qui peuvent se produire dans la fonction cérébrale, en particulier celles qui dépassent ce que la structure anatomique suggère. C'est comme la différence entre une représentation 2D et 3D du monde qui nous entoure.

Les modèles linéaires actuels décrivent simplement le niveau moyen d'excitation dans une région cérébrale, ou le flux à travers une surface cérébrale. C'est beaucoup moins d'informations que mes collègues et moi utilisons lors de la construction de nos modèles non linéaires à partir de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle améliorée et des données de bioimagerie électrique en champ proche. Nos modèles fournissent une image 3D du flux d'informations à travers les surfaces du cerveau et jusqu'aux profondeurs de celui-ci - et nous rapprochent de la représentation de la façon dont tout cela fonctionne.

Comment les cerveaux sont plus complexes que ce que suggère l'anatomie Un cerveau d'apparence saine peut avoir des problèmes fonctionnels. Photothèque scientifique via Getty Images

Anatomie normale, dysfonctionnement physiologique

Mon équipe de recherche est intriguée par le fait que les personnes ayant des structures cérébrales d'apparence totalement normale peuvent encore avoir des problèmes fonctionnels majeurs.

Dans le cadre de nos recherches sur le dysfonctionnement neurologique, nous visitons des personnes en soins palliatifs, des groupes de soutien en cas de deuil, des établissements de soins de réadaptation, des centres de traumatologie et des hôpitaux de soins de courte durée. Nous sommes constamment surpris de constater que les personnes qui ont perdu des êtres chers peuvent présentent des symptômes similaires à celles des patients diagnostiqués avec la maladie d'Alzheimer.

Le deuil est une série de réactions émotionnelles, cognitives, fonctionnelles et comportementales à la mort ou à d'autres types de perte. Ce n'est pas un état, mais plutôt un processus qui peut être temporaire ou permanent.

Les cerveaux d'apparence saine de ceux qui souffrent chagrin physiologique n'ont pas les mêmes problèmes anatomiques - y compris les régions cérébrales rétrécies et les connexions interrompues entre les réseaux de neurones - que l'on retrouve chez les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer.

Nous pensons que ce n'est qu'un exemple de la façon dont les points chauds du cerveau - ces connexions qui ne sont pas physiques - ainsi que la richesse du fonctionnement non linéaire du cerveau peuvent conduire à des résultats qui ne seraient pas prédits par un scanner cérébral. Il y a probablement beaucoup plus d'exemples.

Ces idées peuvent ouvrir la voie à l'atténuation de maladies neurologiques graves par des moyens non invasifs. Thérapie du deuil et dispositifs de neuromodulation électrique à champ proche non invasifs peut réduire les symptômes associés à la perte d'un être cher. Peut-être que ces protocoles et procédures devraient être plus largement proposés aux patients souffrant de dysfonctionnement neurologique où l'imagerie révèle des changements anatomiques. Cela pourrait sauver certaines de ces personnes des interventions chirurgicales invasives.

Le fait de schématiser tous les liens non physiques du cerveau en utilisant nos récents progrès dans la cartographie en champ proche électrique et en utilisant ce que nous croyons être des modèles non linéaires à plusieurs variables biologiquement réalistes, nous rapprochera d'un pas de plus vers où nous voulons aller. Une meilleure compréhension du cerveau réduira non seulement le besoin de procédures opératoires invasives pour corriger le fonctionnement, mais conduira également à de meilleurs modèles pour ce que le cerveau fait le mieux: le calcul, la mémoire, le réseautage et la distribution de l'information.La Conversation

A propos de l'auteur

Salvatore Domenic Morgera, professeur de génie électrique et de bioingénierie, ingénieur éminent de Tau Beta Pi, Université de Floride du Sud

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.


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