La façon dont le cerveau fonctionne reste un puzzle avec seulement quelques pièces en place. Parmi celles-ci, une grande pièce est en fait une conjecture : qu’il y a une relation entre la structure physique du cerveau et sa fonctionnalité.

Les tâches du cerveau comprennent l’interprétation des entrées tactiles, visuelles et sonores, ainsi que la parole, le raisonnement, les émotions, l’apprentissage, le contrôle fin des mouvements et bien d’autres encore. Les neuroscientifiques supposent 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 dans des 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 le timing des impulsions qui les traversent pour une fonction supérieure comme la vision, ils devraient pouvoir résoudre la question de savoir comment on voit, par exemple. Les chercheurs parviennent de mieux en mieux à cartographier le cerveau à l’aide de la tractographie – une technique qui permet de représenter visuellement les trajets des fibres nerveuses à l’aide d’une modélisation en 3D. Et ils parviennent de mieux en mieux à enregistrer 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 près de comprendre comment nous voyons vraiment. Les neurosciences n’ont qu’une compréhension rudimentaire de la façon dont tout cela s’imbrique.

Pour combler cette lacune, la recherche en bioingénierie 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 – tant anatomiques que sans fil – qui activent les différentes régions du cerveau pendant les tâches cognitives. Nous travaillons sur des modèles complexes qui rendent mieux compte de 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 les façons dont la chirurgie du cerveau tente de corriger la structure et, inversement, les médicaments tentent de corriger la fonction.

Les 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 de 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 ». Ce sont des connexions électriques en champ proche, et non les connexions physiques capturées dans les tractographes.

Mon équipe de recherche a travaillé pendant plusieurs années à détailler les origines de ces connexions sans fil et à 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. L’internet est acheminé vers un routeur via une connexion filaire. Le routeur envoie ensuite les informations à votre ordinateur portable par le biais de connexions sans fil. Le système global de transfert d’informations fonctionne grâce aux connexions filaires et sans fil.

Dans le cas du cerveau, les cellules nerveuses conduisent les impulsions électriques le long de longs bras filiformes appelés axones depuis le corps cellulaire vers d’autres neurones. En cours de route, des signaux sans fil sont naturellement émis par des parties non isolées des cellules nerveuses. Ces endroits dépourvus de l’isolation protectrice qui enveloppe le reste de l’axone sont appelés nœuds de Ranvier.

Les nœuds de Ranvier permettent aux ions chargés de diffuser dans et hors du neurone, propageant le signal électrique le long de l’axone. Lorsque 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 Global Center for Neurological Networks, nous nous concentrons sur la façon dont ces signaux sans fil fonctionnent dans le cerveau pour communiquer des informations.

Le monde non linéaire du cerveau

Les enquêtes sur la correspondance entre les régions cérébrales excitées et les fonctions cognitives commettent 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, en mesurant la taille moyenne de la réponse d’une seule région cérébrale. C’est la logique derrière la conception du premier appareil auditif – si la voix d’une personne devient deux fois plus forte, l’oreille devrait répondre deux fois plus.

Mais les appareils auditifs se sont grandement améliorés au fil des ans, car les chercheurs ont 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 produits aux capacités de l’auditeur. En fait, la plupart des êtres vivants n’ont pas de systèmes de détection qui répondent de manière linéaire et univoque 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 vrai des modèles non linéaires, où de nombreuses valeurs de sortie peuvent exister pour une seule valeur de l’entrée. Et la plupart des scientifiques s’accordent à dire 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 des alternatives concurrentes. Par exemple, le cortex frontal du cerveau fait des choix optimaux en calculant de nombreuses quantités, ou variables – en calculant le gain potentiel, la probabilité de réussite et le coût en termes de temps et d’effort. Comme le système est non linéaire, doubler le gain potentiel peut rendre une décision finale beaucoup plus que deux fois plus probable.

Les modèles linéaires passent à côté de la riche variété de possibilités qui peuvent se produire dans le fonctionnement du cerveau, en particulier celles qui vont au-delà de 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 juste le niveau moyen d’excitation dans une région du cerveau, ou le flux à travers une surface du cerveau. C’est beaucoup moins d’informations que ce que mes collègues et moi utilisons lorsque nous construisons nos modèles non linéaires à partir de données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle améliorée et de bioimagerie électrique en champ proche. Nos modèles fournissent une image 3D du flux d’informations à travers les surfaces du cerveau et vers les profondeurs à l’intérieur de celui-ci – et nous rapprochent de la représentation du fonctionnement de tout cela.

Anatomie normale, dysfonctionnement physiologique

Mon équipe de recherche est intriguée par le fait que des personnes ayant des structures cérébrales d’apparence tout à fait normale peuvent néanmoins avoir des problèmes fonctionnels majeurs.

Dans le cadre de nos recherches sur le dysfonctionnement neurologique, nous rendons visite à des personnes dans des hospices, des groupes de soutien au deuil, des établissements de soins de réadaptation, des centres de traumatologie et des hôpitaux de soins aigus. Nous sommes constamment surpris de constater que les personnes qui ont perdu des êtres chers peuvent présenter des symptômes similaires à ceux des patients diagnostiqués avec la maladie d’Alzheimer.

Le deuil est une série de réponses 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 continu.

Le cerveau d’apparence saine des personnes souffrant de deuil physiologique ne présente pas les mêmes problèmes anatomiques – notamment des régions cérébrales rétrécies et des connexions perturbées entre les réseaux de neurones – que ceux 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 – plus 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 d’autres exemples.

Ces idées peuvent ouvrir la voie à l’atténuation de conditions neurologiques graves par des moyens non invasifs. La thérapie du deuil et les dispositifs non invasifs de neuromodulation électrique en champ proche peuvent réduire les symptômes associés à la perte d’un être cher. Ces protocoles et procédures devraient peut-être être plus largement proposés aux patients souffrant de dysfonctionnements neurologiques pour lesquels l’imagerie révèle des modifications anatomiques. Cela pourrait éviter à certaines de ces personnes des procédures chirurgicales invasives.

Diagrammer tous les liens non physiques du cerveau en utilisant nos récentes avancées en matière de cartographie électrique en champ proche, et en employant ce que nous pensons être des modèles non linéaires à plusieurs variables biologiquement réalistes, nous rapprochera un peu plus de notre objectif. Une meilleure compréhension du cerveau permettra non seulement de réduire la nécessité de recourir à des procédures opératoires invasives pour corriger les fonctions, mais aussi d’élaborer de meilleurs modèles pour ce que le cerveau fait le mieux : le calcul, la mémoire, la mise en réseau et la distribution de l’information.