La neuroscience cognitive reste toutefois une science jeune, développée avec l’avènement des techniques d’imageries cérébrales dans les années 90. Les IRM fonctionnelles permettent de “cartographier” ces fonctions cognitives, et elles sont aujourd’hui de plus en plus précises.
Vivre avec la moitié du cerveau
Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Californie, à Pasadena, dont l’article a été publié dans Cell Reports en novembre 2019, a étudié par imagerie résonance magnétique (IRM) les cerveaux de six adultes dont l’un des deux hémisphères cérébraux avait été retiré durant l’enfance, pour réduire les crises d’épilepsie.
Les six patients se sont portés volontaires pour l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle – une technique qui permet de visualiser le cerveau avec une bonne résolution spatiale et temporelle – au Center for Brain Imaging du California Institute of Technology. Les résultats ont été comparés à ceux de six autres adultes en bonne santé qui ont également été scannés et à une base de données qui comprenait les résultats de 1500 autres adultes en bonne santé, avec un âge moyen de 22 ans.
Ce qui a attiré l'attention, c'est que ces personnes, qui étaient maintenant dans la vingtaine ou la trentaine, travaillaient remarquablement bien, avaient un emploi d'orthophoniste, leurs fonctions langagières étaient normales et lorsqu'elles étaient placées sur le scanner, elles bavardaient calmement comme avec n'importe qui d'autre.
Tous, même ceux dont l'hémisphère gauche a été enlevé, où se trouvent chez la plupart des gens des zones liées à la parole comme celle de Broca ou de Wernicke, pouvaient parler. Apparemment, la zone de la parole change d'hémisphère, si l'hémisphère gauche n'existe pas ou est endommagé, la zone de parole est située dans l'hémisphère droit.
Les chercheurs ont divisé le cerveau en 400 zones, 200 dans chaque hémisphère, et ont établi sept réseaux fonctionnels. Le même schéma de parcelles observé chez les personnes en bonne santé peut être facilement distingué chez les personnes ayant un demi-cerveau.
La deuxième phase consistait à voir si la même personne était à nouveau scannée après un certain temps et chez la même personne et pour la même tâche, le même schéma d'activité a été observé, qui est connu sous le nom de fingerprinting, comme la prise d'empreintes digitales. Le résultat de cette deuxième partie de l'étude est que les modèles d'activité étaient cohérents dans le temps. C'était la base de l'étude finale, pour voir si les réseaux fonctionnels des participants avec un demi-cerveau étaient identiques ou différents de ceux des personnes en bonne santé.
Cependant, la connectivité entre les régions de plusieurs réseaux différents était beaucoup plus élevée chez tous les participants qui avaient un hémisphère supprimé et entre tous les réseaux, que chez les individus témoins. Ces contrôles étaient similaires pour le niveau d'intelligence, l'âge, la préférence de la main, c'est-à-dire s'ils étaient gauchers ou droitiers, et le sexe.
Ces résultats étaient inattendus et intéressants car des lésions beaucoup plus petites causées par un accident vasculaire cérébral, un accident, une tumeur ou d'autres raisons provoquent des effets dévastateurs. Cette grande capacité de récupération repose probablement sur deux aspects : le cerveau possède de nombreux systèmes redondants et, peut-être plus frappant, c'est qu'il a une énorme capacité d'adaptation et de flexibilité, que l'on appelle plasticité neuronale. Il serait donc important de comprendre comment le cerveau met en mouvement ces processus réparateurs ou compensatoires, afin de mettre en œuvre des stratégies qui améliorent les perspectives de ces traitements.
Plasticité neuronale
Ce phénomène intervient durant le développement embryonnaire, l'enfance, la vie adulte et les conditions pathologiques (lésions et maladies). Il est responsable de la diversité de l'organisation fine du cerveau parmi les individus – l'organisation générale étant, elle, régie par le bagage génétique de l'espèce – et des mécanismes de l'apprentissage et de la mémorisation chez l'enfant et l'adulte. Ainsi, la plasticité neuronale est présente tout au long de la vie, avec un pic d’efficacité pendant le développement à la suite de l'apprentissage, puis toujours possible mais moins fortement chez l’adulte.
La plasticité neuronale est avec la neurogenèse adulte, une des découvertes récentes les plus importantes en neurosciences, et montre que le cerveau est un système dynamique, en perpétuelle reconfiguration.
Comment le cerveau se réorganise après une attaque cérébrale
Des chercheurs du Département de neurosciences de l’Université de Genève – dont leur article intitulé “Coherent neural oscillations predict future motor and language improvement after stroke” est paru dans Brain en 2015 – en étudiant la manière dont les neurones réagissent après un accident vasculaire cérébral (AVC), ont trouvé un indicateur permettant de prédire la récupération future du malade, grâce à un examen par électroencéphalographie (EEG).
Des neurones prennent le relais
Signaux synchrones
Améliorer la réhabilitation
L’EEG pourrait ainsi être utile pour suivre les progrès des patients traités par des neuropsychologues, physiothérapeutes, ergothérapeutes, logopédistes et autres spécialistes impliqués dans la réhabilitation. Il pourrait aussi contribuer à définir les thérapies les plus à même de promouvoir la plasticité cérébrale et la récupération. Certaines méthodes encore expérimentales, comme la stimulation électrique ou magnétique transcrânienne, donnent de bons résultats chez certaines personnes, alors qu’elles sont inefficaces chez d’autres. Dans ce cas, l’EEG aiderait les médecins à repérer les patients susceptibles d’en bénéficier avec ces méthodes de réhabilitation.
Les recherches des neuro-scientifiques de Genève ouvrent des voies prometteuses pour diminuer les séquelles des victimes d’un AVC. Leurs travaux, couronnés par le Prix Pfizer de la Recherche 2016, pourraient permettre d’améliorer les traitements de réhabilitation.
De nouvelles méthodes de rééducation
Deux techniques, l’une encore en expérimentation, l’autre plus futuriste, pourraient permettre aux victimes d’un AVC de mieux récupérer leurs fonctions perdues.
Le cerveau efface la mémoire pendant le sommeil pour éviter la surcharge
Un groupe de chercheurs du Japon et des États-Unis, en collaboration avec les National Institutes of Health aux États-Unis, dont l'étude a été publiée dans Science en septembre 2019, découvre – grâce à un travail de laboratoire avec des souris – que le cerveau, qui organise les souvenirs, décide supprimer les informations qui ne sont pas importantes du jour au lendemain. L’étude est intitulée en anglais : The Brain May Actively Forget During Dream Sleep to Prevent Information Overload.
L'étude révèle quelque chose de non observé jusqu'à présent : le cerveau dépose les connexions entre les neurones impliqués dans certains types d'apprentissage. Une autre nouveauté apportée par cette recherche est que le contrôle de l'appétit pourrait également être impliqué car une activité a également été observée dans une molécule qui implique les deux processus.
Information non importante. Selon les experts, la situation se produit lorsque quelque chose de nouveau est appris mais pas stocké dans la mémoire à long terme. Les connaissances sont stockées d'une autre manière et c'est à ce moment que le cerveau décide s'il est pertinent de sauvegarder les informations ou de faire de la place pour d'autres potentiels. Selon les scientifiques, ces neurones aident activement le cerveau à oublier des informations nouvelles et peut-être sans importance. Cela pourrait être un processus cérébral pour éviter la confusion entre les rêves et les souvenirs stockés dans le cerveau. De plus, cela pourrait expliquer pourquoi les rêves sont vite oubliés.
Outre ses implications dans l'étude du sommeil et de la narcolepsie, cette recherche pourrait ouvrir de nouvelles portes au traitement des problèmes de mémoire, de la maladie d'Alzheimer ou des problèmes liés au stress post-traumatique.
La réactivation ciblée de la mémoire pendant le sommeil améliore la résolution des problèmes le lendemain
Des chercheurs du département de psychologie de l'Université Northwestern, Illinois – sachant que les gens répètent ou ‘consolident’ leurs souvenirs pendant le sommeil, en les renforçant et en les réorganisant – ont créé une stratégie de résolutions de problèmes semblable à la réorganisation de la mémoire pendant la nuit, dont l’étude a été publié dans Psychological Science en octobre 2019. L’étude s’intitule en anglais : Targeted Memory Reactivation During Sleep Improves Next-Day Problem Solving.
Les chercheurs ont essayé d’orienter le cerveau de personnes endormies vers des problèmes spécifiques sans les réveiller. Ils ont sélectionné 57 participants à qui ils ont présenté une série de casse-tête le soir avant le coucher. Chaque puzzle était accompagné d’un son unique. Les volontaires se sont ensuite mis au lit sans que toutes les énigmes ne soient résolues. Alors qu’ils dormaient, les chercheurs ont fait jouer les sons associés à la moitié des énigmes non résolues, suffisamment fort pour que les participants puissent les entendre sans se réveiller. L’idée était d’attirer l’attention de l’esprit endormi sur ces énigmes pour une exploration plus approfondie.
Le rôle du sommeil dans l’incubation des problèmes
Au réveil, les participants ont réussi à résoudre plus d’énigmes. Ils ont notamment été capables de résoudre 31,7% des puzzles invoqués par des sons pendant le sommeil, soit une amélioration de 55% par rapport aux 20,5% de puzzles qu'ils n’avaient pas réussi à résoudre la veille.
Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que l'obtention d'information de casse-tête pendant le sommeil peut faciliter la résolution de problèmes, ce qui favorise le rôle du sommeil dans l'incubation des problèmes et l'établissement d'une nouvelle technique pour mieux comprendre la résolution des problèmes et la cognition du sommeil.
Cerveau : les neurones s'agitent pendant le sommeil
Les cellules du cerveau échangent constamment des informations et, lors des phases de sommeil, cette activité sert notamment à consolider la mémoire. L'électroencéphalogramme qui permet de mesurer l'activité globale du cerveau montre des ondes régulières, plus ou moins rapides, selon les phases de sommeil mais ne permet pas de savoir comment chaque information est traitée à l'échelle du neurone. C'est une circulation dense et agitée des informations entre les neurones qui occupe le cerveau durant les phases de sommeil pour consolider la mémoire.
Pour la première fois l’équipe de l'INSERM décrit cette agitation neuronale. Les chercheurs ont réussi à observer la circulation dense et agitée des informations entre les neurones qui occupent le cerveau pendant la phase de sommeil pour faire le tri entre informations importantes ou inutiles.
Le trajet de l'information change en permanence
Il y a ainsi une succession de sous-états avec, au final, environ la moitié des neurones des trois régions – que sont l'hippocampe, le cortex préfrontal et le cortex entorhinal – qui jouent un rôle clé dans le traitement de l'information à un moment ou à un autre. Autrement dit, il n'y a pas de hiérarchie établie au sein des neurones mais plutôt une répartition équilibrée des rôles.
"Cela se passe un peu comme sur internet"
Mieux connaître le langage des neurones
Ce modèle rigide a été en grande partie fondé sur l’observation par Paul Broca de seulement deux patients en 1861. Ils présentaient des troubles de la parole suite à un dommage du cerveau dans une région appelée depuis l’aire de Broca et assimilée abusivement à la zone du langage articulé. Il a été démontré grâce aux méthodes d’imagerie moderne qu’en réexaminant ces lésions, elles intéressaient en fait non seulement la surface du cortex cérébral, mais également, voire surtout, de nombreuses connexions profondes constituées par la substance blanche, expliquant pourquoi les patients n’avaient jamais pu récupérer vu que plusieurs réseaux de neurones – et pas simplement une région précise – avaient été gravement endommagés.
Un ensemble de circuits complexes et multi-connectés
L’essor récent des neurosciences cognitives, basées notamment sur les avancées technologiques de l’imagerie cérébrale fonctionnelle, a permis d’évoluer vers de nouveaux modèles d’organisation du système nerveux.
Les interactions sont en effet infinies entre les différents sous-réseaux. Le réseau du langage, par exemple, implique non seulement le sous-réseau de la production orale de la parole, mais aussi celui participant au traitement syntaxique ou sémantique de l’information verbale ainsi qu’entre plusieurs réseaux, comme ceux impliqués dans la mémoire à court terme et l’attention.
Neuroplasticité : quand le cerveau se réorganise pour guérir
Cette organisation dynamique explique pourquoi le cerveau humain a une capacité massive de neuroplasticité : il est doué d’un potentiel de redistribution, à court, moyen et long-terme, afin d’optimiser son fonctionnement et de s’adapter aux diverses sollicitations. Ainsi, les processus cérébraux ne sont pas immuables mais reposent sur une succession d’états d’équilibre avec réorganisation perpétuelle, en réponse à des facteurs à la fois intrinsèques et environnementaux.
En d’autres termes, au-delà des neurosciences fondamentales, cette meilleure compréhension du connectome cérébral – l’organisation en circuits neuronaux parallèles, à large échelle, avec des interactions changeantes – a par ailleurs d’importantes implications médicales concernant le traitement des patients cérébro-lésés.
Opérer l’inopérable
Par exemple, de nombreuses observations de récupération fonctionnelle suite à une lésion d’une région classiquement considérée comme cruciale dans un modèle localisationniste rigide – en particulier l’aire de Broca – ont été rapportées, notamment après une ablation chirurgicale de tumeurs pourtant jusqu’à présent réputées inopérables.
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| Le patient joue de la guitare pendant l'opération |
C’est ainsi qu’une carte individuelle des fonctions cérébrales est effectuée, permettant en conséquence l’ablation de la tumeur envahissant les structures compensables, tout en épargnant les réseaux neuronaux essentiels. Ces chirurgies sous anesthésie locale ont débouché sur une majoration significative de l’espérance de vie des patients porteurs d’une tumeur cérébrale, avec en parallèle une préservation de leur qualité de vie.
Par ailleurs, elles ont démontré le potentiel majeur de neuroplasticité et permis une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent une telle redistribution des circuits de neurones, grâce à l’observation directe du fonctionnement cérébral in vivo.
En effet, la réalisation d’examens de neuroimagerie fonctionnelle non invasives avant et après intervention en régions critiques et pourtant chez des patients ayant récupéré une vie normale, a démontré une modulation dynamique de ces réseaux distribués, expliquant comment la compensation neurologique a pu survenir.
Vers des interventions de plus en plus personnalisées
Une telle connaissance rend possible l’élaboration de programmes de rééducation cognitive adaptés à l’échelon individuel, à même de potentialiser la qualité de récupération post-opératoire. Une étape supplémentaire a débouché sur une seconde voire troisième intervention chirurgicale en cas de ré-évolution tumorale des années après l’opération initiale, avec une majoration de l’étendue de l’ablation lésionnelle en comparaison par rapport à la première intervention, tout en préservant la qualité de vie, grâce à une modification des cartes fonctionnelles cérébrales survenue au fil des ans, et démontrée pendant l’éveil du patient lors de la ré-opération.
En synthèse, la combinaison des bilans neurocognitifs, de l’imagerie fonctionnelle chez les volontaires sains ou chez les patients cérébro-lésés, et les informations originales issues des cartes fonctionnelles dressées lors de chirurgies éveillées réalisées pour ablation de tumeurs cérébrales, a résulté en une modélisation optimisée du connectome humain.
Elle repose sur une identification des réseaux neuronaux – constitués de mosaïques d’aires corticales interconnectées par des fibres sous-corticales de substance blanche – impliqués aussi bien dans le mouvement et le contrôle de l’action, le langage, les fonctions cognitives telles que l’attention, la mémoire, la multitâche, ou la flexibilité mentale, différents niveaux de conscience – de soi et de l’environnement–, que dans la théorie de l’esprit et la mentalisation ; à savoir, la capacité de percevoir les états mentaux d’autrui et d’en inférer les intentions, respectivement, pour n’en citer que quelques-uns.
L’intégration inter-réseaux permet pour la première fois de mieux appréhender les fondations neurales du comportement humain, très variable d’un individu à l’autre voire chez le même sujet au cours du temps. Le prochain défi, sur la base de cette connaissance rompant définitivement avec l’ancien dogme localisationniste, serait de tendre vers une restauration fonctionnelle chez les patients cérébro-lésés, en stimulant notamment la re-modulation des réseaux de neurones via le développement de l’interface cerveau-machine.
Comprendre le lien entre alimentation et AVC
Des études réalisées par la docteur Phyllis Paterson et son équipe à l’Université de la Saskatchewan révèlent des liens étonnants entre l’alimentation et le rétablissement après un AVC.
Manger sainement et de façon équilibrée, c’est bon pour la santé. Mais pour une personne qui a subi un AVC, le régime alimentaire pourrait avoir plus d’importance encore.
On estime que la malnutrition touche jusqu’à 50% des patients d’AVC. À la base, c’est un problème que l’on constate déjà souvent chez les patients âgés. Dans le cas présent, par contre, il touche aussi un deuxième groupe, celui des personnes qui cessent de bien se nourrir en raison de leur AVC. Les difficultés de déglutition, les problèmes de mobilité et la dépression sont autant de facteurs qui peuvent empêcher les gens d’adopter un régime alimentaire complet et équilibré.
Les premières constatations démontrent que la malnutrition freine des processus importants du rétablissement, par exemple en réduisant l’inflammation au cerveau après un AVC. L’inflammation peut, dans certains cas, jouer un rôle positif. C’est la façon par laquelle le corps réagit à la blessure qu’il a subie et c’est ainsi qu’il jugule l’AVC pour permettre au cerveau de commencer à se réparer.
Des données probantes révèlent également que la malnutrition réduit la plasticité cérébrale, c’est-à-dire la capacité qu’ont les cellules du cerveau à se réorganiser et à créer de nouvelles connexions.
Dans le cadre d’études menées sur des rats, les chercheurs ont découvert que les membres qui n’étaient pas touchés par un AVC augmentaient progressivement de taille, peut-être pour compenser les lésions de l’autre côté du corps. Le groupe qui se nourrissait moins bien, pour sa part, n’arrivait pas à compenser, et son rétablissement n’avançait pas. La nutrition joue un rôle important dans la force et la réadaptation, qu’elle aide à protéger le membre endommagé par l’AVC.
Un nutritionniste-diététiste peut aider les patients à surveiller leur régime alimentaire et leur donner des stratégies, voire des plans de repas spécialisés, pour surmonter les différents problèmes, y compris la difficulté de déglutition.
Le cerveau humain fonctionne de manière très organisée, étant hiérarchique, de sorte que certaines zones du cerveau sont subordonnées à d'autres qui dirigent ou gouvernent. La connexion entre les neurones est essentielle à leur propre survie. Ils ne peuvent rien faire par eux-mêmes. Ils ont besoin de la coopération avec d'autres neurones pour développer leur fonction et du soutien d'autres types de cellules pour rester en bonne santé et actifs.
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