Le cerveau humain contient de nombreux mystères encore inconnus
et des experts du monde entier cherchent à les découvrir
Pas un jour sans une
nouvelle avancée prouvant l'incroyable sophistication du cerveau. Plus la
recherche progresse, et moins l'encéphale apparaît comme une mécanique figée, il
est mille fois plus complexe que tout ce que l'on pouvait imaginer.
Découverte d'une zone cérébrale unique à l'Homme
impliquée dans la prise de décision et de planification
Une étude de chercheurs dirigée
par le professeur Matthew Rushworth du département de psychologie expérimentale
de l’Université d'Oxford, publiée dans Neuron en janvier 2014, identifie une zone du cerveau
unique liée à nos capacités cognitives supérieures, et qui n’apparaît pas chez
nos plus proches parents.
Cette étude par IRM du
cerveau de 25 volontaires adultes âgés de 20 ans, a d’abord identifié des zones
clés dans la région ventro-latérale du cortex frontal du cerveau humain et la
façon dont ces zones sont connectées aux autres zones du cerveau. Puis l’équipe
a comparé ces résultats aux données IRM équivalentes de 25 macaques.
La zone du cortex
frontal du cerveau est impliquée dans certains processus de prise de décision
et de planification et dans d’autres fonctions complexes de la cognition et du
langage.
Une zone du cortex
frontal humain n'a pas son équivalent chez le macaque : Grâce aux données
IRM, les chercheurs ont réussi ensuite à diviser le cortex frontal en 12 zones
qui ont chacune leur propre modèle de connexions avec le reste du cerveau puis
ont comparé cette organisation cérébrale humaine à celle du singe. 11 des 12
zones sont retrouvées à l’identique chez les deux espèces et apparaissent
connectées aux autres zones du cerveau de manière très similaire.
Cependant, une zone du
cortex frontal humain n'a pas son équivalent chez le macaque, une zone nommée
le “lateral frontal pole prefrontal
cortex” qui semble impliquée dans la planification stratégique, la prise de
décision et le multitâches. Enfin, les zones d’audition dans le cerveau sont très
bien connectées avec le cortex préfrontal humain, mais beaucoup moins chez le
macaque, une différence qui peut expliquer notre capacité à comprendre et à
générer un discours.
En conclusion, un degré
surprenant de similitude dans l'organisation des régions du cerveau qui
contrôlent la langue et les processus de pensée complexes chez les humains et
les singes mais également des différences importantes.
Le cerveau est connecté au système immunitaire
Des chercheurs de l'université de Virginie
(États-Unis) expliquent dans la revue Nature de juin 2015, avoir
découvert l'existence de vaisseaux lymphatiques dans le cerveau de souris,
le reliant ainsi au système immunitaire.
Jusqu'à présent, les scientifiques étaient convaincus
que le cerveau n'avait aucun lien
anatomique direct avec le système immunitaire.
Élément majeur du système immunitaire, le système
lymphatique constitue un vaste ensemble de vaisseaux qui drainent un liquide
appelé lymphe vers des structures particulières – les organes lymphoïdes – et
vers le cœur. Ce système a de nombreuses fonctions dont la principale est la
circulation des cellules immunitaires dans tout le corps et l’activation de la
réponse immunitaire lors d’une infection. Il contribue également à la
circulation des hormones et des nutriments et permet le drainage des excès de
liquide au niveau des tissus.
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| Cartes du système lymphatique: ancienne (à gauche) et actuelle |
L'équipe américaine a pu faire cette découverte
grâce à un changement de méthodologie dans la dissection des cerveaux de souris
effectuée par le chercheur Antoine
Louveau. La procédure habituelle prévoit en premier lieu l'ablation des
méninges – les membranes recouvrant le cerveau –, puis leur
"fixation", c'est-à-dire l'immobilisation des cellules dans l’état
dans lequel elles étaient, juste avant la dissection.
Ces deux étapes ont été inversées : ils ont
d’abord fixé les méninges alors qu’elles étaient toujours présentes dans le
cerveau, puis ils les ont extraites avant de les analyser en microscopie. Une
méthode qu'ils voulaient réaliser dans le seul but de pouvoir conserver
beaucoup plus efficacement les méninges dans leur état d’origine. Mais grâce à
elle, les chercheurs ont décelé la présence de vaisseaux lymphatiques au sein
des méninges. Ils sont très bien
cachés, car ils suivent un vaisseau sanguin majeur dans une zone difficile à
visualiser au microscope.
Maintenant nous savons
que le cerveau est comme tous les autres organes, c'est-à-dire connecté au
système immunitaire via des vaisseaux lymphatiques.
Cette découverte pourrait améliorer la
compréhension de nombreuses maladies affectant le système nerveux central et le
système immunitaire. Par exemple, la sclérose en plaques, cette maladie
auto-immune qui affecte le système nerveux central, ou encore la maladie
d’Alzheimer. Cette dernière implique
l'accumulation massive de protéines dans le cerveau, les protéines
bêta-amyloïdes. Les chercheurs pensent que l’accumulation de ces protéines
pourrait provenir d’une mauvaise évacuation de ces dernières par les vaisseaux
lymphatiques. Ils ont remarqué que l'aspect des vaisseaux lymphatiques
dans le cerveau diffère avec l'âge. Le
rôle qu'ils jouent dans le vieillissement leur est inconnu.
Des scientifiques ont découvert le siège de l’âme
dans le cerveau humain
Les scientifiques du
Centre de recherche en neurosciences de l’Université de Cambridge dans une
étude, publié en mars 2016 dans Philosophie, Religions & Mythologies,
Science, ont non seulement prouvé l’existence de l’âme, mais ont aussi
identifié la région du cerveau dans laquelle elle est située.
L’équipe de neurologues a passé les trois
dernières années à étudier des milliers de scans obtenus avec une technologie appelée
Imagerie fonctionnelle par résonance
magnétique (IRMf), qui permet aux scientifiques d’avoir des images de la
modification de la circulation du sang dans le cerveau associée à une activité
neuronale.
Ceci permet à des images d’être générées à l’image
des structures du cerveau qui sont activées pendant l’exécution de tâches
diverses, permettant ainsi de déterminer les différentes utilisations de chaque
structure dans le cerveau.
Les scientifiques espéraient étudier une glande
endocrine incomprise du nom de la glande pinéale, qui est située dans le
thalamus, à proximité du centre du cerveau.
Tout en étudiant les nombreux scans IRMf, les
chercheurs ont remarqué qu’à chaque fois qu’ils ont demandé à un patient de
prier ou de méditer, l’activité du cerveau s’est soudainement concentrée autour
du thalamus, plus spécifiquement dans la glande pinéale.
Après plusieurs tests et enquêtes approfondis, ils
ont pu déterminer que la petite glande endocrine était le centre de toutes les
pensées et croyances spirituelles et religieuses, dans le cerveau, agissant en
tant que siège de l’activité spirituelle qui reçoit des informations et envoie
des “ordres” aux autres structures du cerveau.
Les fonctions exactes de la glande pinéale et la
nature de la relation entre l’âme et le corps restent incertaines, car le
niveau extrêmement intense de l’activité cérébrale et sa concentration rendent
les données encore plus difficiles à analyser.
Les chercheurs ont
d’abord remarqué que lorsque les patients se sont mis à prier, leur glande
pinéale est devenue complètement hyperactive. Cela semblait vraiment
inhabituel, puisque cette glande était connue pour avoir un niveau d’activité
faible et constant. Ils ont finalement réussi à déterminer qu’à chaque fois
qu’un patient priait, méditait ou même lisait un livre sacré, l’activité
cérébrale était clairement centrée sur la glande pinéale et le thalamus. Il y a une activité si intense que parfois elle brille presque sur les
scanners, et il est difficile de voir exactement ce qui se passe.
Des
scientifiques auraient trouvé l'interrupteur on/off de la conscience humaine
Selon une étude réalisée par des scientifiques de
l'Université de Washington, publiée dans New
Scientist en juillet 2014, ils ont, pour la première fois, trouvé le bouton
de commande de la conscience. Ils ont réussi à éteindre celle-ci en appliquant
une stimulation électrique à une partie spécifique du cerveau.
Bien que testée sur une seule personne, cette
découverte suggère qu'une seule zone cérébrale, le claustrum, une fine couche
de matière grise, serait responsable de l'organisation des pensées, sensations
et émotions. Les chercheurs ont réussi à éteindre et rallumer la sensibilité
d'une femme, atteinte d'épilepsie, en stimulant son claustrum. Pour cela, les
chercheurs ont utilisé des électrodes placées en profondeur dans le cerveau
afin d'enregistrer les signaux venant de différentes régions cérébrales.
Objectif : trouver l'origine de ses crises.
A un moment, les électrodes ont été disposées près
du claustrum, une zone qui n'avait jamais été stimulée. Dès la première
impulsion, la femme a perdu toute conscience : elle a cessé de lire et
s'est mise à fixer l'espace devant elle, les yeux dans le vide. Elle ne
répondait plus à aucune commande visuelle et auditive et sa respiration s'est
même ralentie. A l'arrêt de l'impulsion, elle a immédiatement repris
conscience, sans aucun souvenir de l'épisode.
L’équipe pense que le claustrum joue un rôle
majeur dans l'activation des expériences conscientes. Elle s'est également
aperçue que la perte de conscience était accompagnée d'une augmentation de la
synchronisation des ondes cérébrales dans les régions frontale et pariétale,
qui participent à l'activation de la sensibilité. Or, trop de synchronisation
n'est pas forcément bon car le cerveau n'est plus capable de distinguer un
aspect d'un autre, empêchant ainsi une expérience logiquement connectée
d'émerger. Cette découverte pourrait, ainsi, aider les personnes souffrant
d'épilepsie ou de maladies similaires ou même les individus en état de
semi-conscience.
Capacité de mémorisation du
cerveau 10 fois plus grande
Une étude menée par l’institut californien Salk (La
Jolla) parue dans le magazine scientifique eLife
en janvier 2016, révèle que les capacités de notre cerveau sont dix fois supérieures
à ce que l’on pensait.
Nos souvenirs ainsi que nos pensées dépendent de
l’activité chimique et électrique de notre cerveau. L’activité principale
réside dans les connexions entre les neurones. Cette communication se fait à
l’aide de synapses. Chaque neurone peut avoir un millier de connexions avec les
autres neurones.
L’équipe de recherche Salk a entrepris de
reproduire en 3D l’hippocampe d’un rat. Cette partie du cerveau joue un rôle
fondamental dans la mémoire des mammifères. Les chercheurs remarquent alors ce
qu’ils considèrent comme une anomalie : certains neurones semblaient
envoyer un double message.
Au début, les chercheurs ne prêtent pas attention
à ce double message, ce genre d’anomalie arrive une fois sur dix dans
l’hippocampe. Mais ils décident de mesurer la différence de taille entre cette
paire de synapses utilisées par le neurone pour envoyer son double message.
À ce jour, les synapses étaient plus globalement
distinguées en trois catégories : petites, moyennes et larges. Là, le
résultat est inattendu : la différence de taille entre ces deux synapses
n’excédait pas les 8%. La différence de taille était infime. Personne n’aurait
pensé qu’il y aurait une différence si petite.
Ensuite, aidés d’un algorithme, les chercheurs ont
pu déterminer qu’il existait à peu près vingt-six catégories de tailles de
synapse. Une découverte qui a permis de mesurer combien d’informations peut
être potentiellement stockées dans les connexions synaptiques. En langage
informatique, vingt-six tailles de synapses correspondent à 4,7 bits
d’information. Avant, on pensait que le cerveau n’était capable que de stocker
l’équivalent de un ou deux bits de mémoire de courte et longue durée dans
l'hippocampe. Sachant en plus qu’un cerveau adulte génère une puissance
continue d’environ 20 watts (l’équivalent d’une enceinte Bluetooth basique),
cela signifie qu’il peut stocker des informations très précises avec très peu
d’énergie.
Un schéma précis a également été découvert. Toutes
les deux ou vingt minutes, les synapses gagnent ou perdent une taille. Elles
s’adaptent au signal qu’elles reçoivent. Derrière le chaos apparent du cerveau,
il y a une véritable précision quant à la taille et la forme des synapses qu’il
avait toujours échappé. En adaptant les mêmes modèles mathématiques, cette
découverte pourrait permettre aux scientifiques de construire des ordinateurs
très performants et peu énergivores.
Découverte du réseau de neurones où se produit l’imagination
Les philosophes et les hommes de science se sont
beaucoup demandés sur le lieu où se produit l'imagination humaine c'est-à-dire
ce qui fait que les êtres humains soient capables de créer un art, d'inventer
des outils, de penser scientifiquement et de réaliser d'autres comportements
très divers.
Dans une étude des chercheurs de Dartmouth College en Hanover, New Hampshire,
publiée en septembre 2013 dans le journal Proceedings of the National
Academy of Sciences, ont découvert que l’activité de ce que nous appelons
l’imagination est le produit d’un vaste réseau de neurones – ce qu’ils
appellent “l’espace de travail mental” – qui modifie et manipule consciemment
les images, les symboles et les idées et donne à l’être humain la force mentale
pour trouver de nouvelles idées et des solutions à des problèmes complexes.
Pour tester le fonctionnement du cerveau
imaginatif, les chercheurs ont demandé à 15 participants de visualiser des
formes abstraites spécifiques, puis leur ont dit d’imaginer la combinaison de
ces formes en figures plus complexes. Ce qu’ils ont découvert était un grand
réseau cortical et sub-cortical à travers le cerveau qui a produit les
manipulations de l’imagerie – ce que l’on appelle l’espace de travail mental.
Le réseau s’étendait des domaines qui régissent le
traitement visuel à d’autres domaines liés à l’attention et aux processus
exécutifs. Ils travaillent tous ensemble pour que les manipulations se
produisent.
Les résultats de Dartmouth et d’autres études
récentes ont démystifié la théorie populaire selon laquelle le cerveau droit
régit l’activité créatrice. De plus en plus de recherches suggèrent plutôt que
le cerveau humain est beaucoup plus vaste et interconnecté que de simples
explications.
Les nouvelles perspectives offrent également un
point de départ pour la recherche qui pourrait aider à concevoir de meilleurs
processus d’apprentissage où potentiellement l’intelligence artificielle
avance.
Ces résultats aident à comprendre comment
l'organisation de notre cerveau nous distingue d'autres espèces et proportionne
une zone riche de jeux internes pour penser librement et avec créativité. La
compréhension de ces différences donnera une idée d'où la créativité humaine
vient et permettra de récréer possiblement les mêmes processus créateurs dans
les machines.
Des neuroscientifiques découvrent des modèles distincts pour la mémoire et l'imagination
Une équipe de l'Université Brigham Young, en août 2014, a découvert où et comment
l’imagination se produit dans le cerveau humain.
L’imagination a une zone cérébrale qui lui est
propre. Il y a toujours eu un débat scientifique sur la question de savoir si
la mémoire et l'imagination sont vraiment des processus distincts.
Les chercheurs ont conçu des expériences utilisant
la technologie IRM qui les aident à distinguer l'imagination pure des processus
connexes comme le souvenir. L'équipe voulait étudier si la mémoire et
l'imagination sont séparées ou si la mémoire et l'imagination fonctionnent
ensemble.
Ils ont demandé aux participants à l'étude de
fournir 60 photos personnelles pour la section “souvenir“ de l'expérience. Les
participants ont également rempli un questionnaire préalable afin de déterminer
quels scénarios leur seraient inconnus et donc mieux adaptés à la section “Imaginer“.
Les chercheurs ont ensuite montré aux gens leurs
propres photographies au cours d'une séance d'IRM pour susciter une activité
cérébrale strictement basée sur la mémoire.
Une analyse statistique a révélé des modèles
distincts pour la mémoire et l'imagination. Les chercheurs ont pu voir les
distinctions même dans ces petites régions de l'hippocampe, notant une
définition claire entre les deux tâches dans la région du petit cerveau.
La présente étude aura des connotations dans les
futures études de neuro-imagerie de groupe pour évaluer les individus à risque
de troubles psychotiques tels que la schizophrénie.
Pourquoi le cerveau est-il autant ridé ?
Les plis et replis de notre cerveau cachent une
complexité qui intrigue depuis longtemps les chercheurs. On sait déjà que s'il
était "déplié" comme on déroule une pelote, sa surface occuperait
entre 1 à 2 mètres carrés alors que le volume de notre crâne est de 1100 à 1700
cm³.
Selon une étude de l’université de Harvard aux
États-unis et de l'université de Jyväskylä
en Finlande, publiée dans la revue Nature
Physics en février 2016, des scientifiques ont enfin compris pourquoi le
cortex cérébral était aussi fripé.
Ils ont élaboré une maquette 3D d'un cerveau
obtenu à partir de l'imagerie à résonance magnétique (IRM) sur laquelle ils ont
appliqué des couches de gel capables de gonfler sur certaines régions. Cette
modélisation technique a permis de comprendre la mécanique du cerveau :
quand les couches de gel gonflent, le cerveau se plie sous l'effet de
compressions.
Le cerveau commence à se plier et se
recroqueviller dès la 20e semaine de gestation du fœtus. Cette compression,
tout simplement destinée à faire rentrer le cerveau dans un espace étroit,
aurait cours chez l'enfant jusqu'à l'âge d'un an et demi. Cette simple
innovation liée à l'évolution autorise le cortex, fin mais en croissance, à
rentrer dans un petit volume. C'est la raison principale derrière ce pliage du
cerveau.
Ces plis, que l'on nomme circonvolutions, sont des
structures du cortex cérébral, un manteau de tissu gélatineux de deux à quatre
millimètres d'épaisseur et essentiellement constitué de neurones – parfois
nommé substance grise. Dans cette couche, la plus externe du cerveau, naissent
nos perceptions, nos émotions et nos actions.
La surface d'un cortex humain aplati – environ
deux mètres carrés – est trois fois plus grande que la surface interne de la
boîte crânienne. En conséquence, ce n'est qu'en étant replié que le cortex des
hommes et d'autres espèces à gros cerveau peut tenir dans la boîte crânienne.
L’existence d’effets mécaniques concerne la
différence de plis entre le cervelet et le cerveau. Le cervelet est beaucoup
plus plié que le cerveau. La taille du cervelet, déplié, peut atteindre dix
fois la taille qu’il a, plié. Le cortex du cervelet est beaucoup plus fin que
celui du cerveau. En outre, l’extension du cervelet se fait surtout dans une
direction (l’axe dorso-ventral), car il est constitué de fibres dans la
direction des plis, qui résistent à l’allongement, tandis que la direction
orthogonale s’allonge plus facilement. Le cerveau s’étend, lui, dans toutes
les directions.
Cerveau : comment se forment nos souvenirs
Une équipe de chercheurs de l'université de
Californie (aux États-Unis) et de Leicester (au Royaume-Uni) révèle que l’'enregistrement
d'un souvenir implique l'activation très rapides de neurones, qui
"s'illuminent" individuellement si un élément rappelant la scène
resurgit, Un mécanisme cérébral fascinant que ces scientifiques viennent de
découvrir et qu'ils détaillent dans la revue Neuron de juillet 2015.
Afin de mener des études sur la mémoire, les
chercheurs implantent des électrodes dans le cerveau de volontaires atteints
d'une forme grave d'épilepsie et devant subir une opération chirurgicale du
cerveau. Ils profitent ainsi du fait que ces patients doivent subir une
opération du cerveau pour étudier le fonctionnement de ce dernier.
Ils ont implanté des électrodes chez 14 patients
atteints d'une forme grave d'épilepsie, dans une zone du cerveau appelée
"lobe temporal médian", comprenant notamment l'hippocampe et
l’amygdale et connue pour être impliquée dans la mémorisation. La précision de
la mesure était telle que les chercheurs pouvaient distinguer l’activité de
neurones isolés.
Les chercheurs ont commencé par montrer aux
volontaires des portraits d’acteurs, comme Jennifer Aniston ou Clint Eastwood
(pour changer). Puis, après avoir identifié les neurones qui s'activent à la
vue de ces personnes, ils ont montré de nouveau aux patients ces mêmes
célébrités mais avec, au dernier plan, un monument connu. Ainsi, Jennifer
Aniston se trouvait devant la Tour Eiffel et Clint Eastwood au pied de la Tour
de Pise. Les volontaires devaient alors mémoriser ces associations. Enfin,
seuls les images des lieux leur étaient présentés.
Verdict : l’image de la tour Eiffel
déclenchait l’activation de "neurones Aniston", celle de la Tour de
Pise les "neurones Eastwood". Et devant les autres images, ces
neurones demeuraient totalement inactifs.
Étonnamment, il a suffit aux sujets de voir une
seule fois le montage personnalité/monument pour qu'ils mémorisent
l'association. C’est un changement
radical par rapport aux expériences menées chez l’animal, pour qui cet
apprentissage est observé après de nombreux entraînements. C’est crucial pour comprendre le processus
neurologique sous-jacent à la formation de souvenirs en situation réelle, car
au quotidien, nous ne sommes pas exposés de façon répétée à un événement pour
nous en rappeler, une fois suffit.
Les chercheurs espèrent que la découverte de ce
mécanisme pourrait conduire à une meilleure compréhension de la perte de
mémoire et de nouvelles méthodes pour combattre la maladie d'Alzheimer et
d'autres maladies neurologiques.
