Un signal cérébral est un enregistrement du signal électrique généré par l'action coopérative des cellules cérébrales, ou plus précisément, l'évolution temporelle des potentiels de champ extra-cellulaire neuronal générés par leur action synchrone.
Type de signaux traités par le cerveau humain
Le cerveau envoie et reçoit des signaux chimiques et électriques dans tout le corps. Différents signaux contrôlent différents processus et le cerveau interprète chacun d’eux. Certains nous fatiguent, tandis que d’autres nous font ressentir de la douleur.
Le cerveau est un foyer d’activité électrochimique. Environ 100 milliards de neurones émettent chacun 5 à 50 messages – potentiels d’action – par seconde. Cette activité nous permet de traiter l'environnement, de bouger nos muscles et même de maintenir notre équilibre.
Le transfert d'informations d'un neurone à l'autre s'effectue par la libération de produits chimiques dans l'espace situé entre l'axone et les dendrites. Ces produits chimiques s’appellent neurotransmetteurs et le processus est appelé neurotransmission. L’espace entre l’axone et les dendrites s’appelle la synapse.
La distance que les potentiels d’action peuvent parcourir avant de devoir être régénérés dépend du diamètre de l’axone – le plus épais sera le mieux – et du fait que l’axone soit isolé avec de la myéline. Les vitesses de conduction qui en résultent varient de 0,5 à 100 mètres par seconde, elles sont rapides, mais pas aussi rapides que celles du fil de cuivre.
Deux principaux types de nerfs transmettent des signaux au cerveau
* Les nerfs sensoriels transmettent des signaux à notre cerveau pour vous aider à toucher, goûter, sentir et voir.
* Les nerfs moteurs transmettent des signaux aux muscles ou aux glandes pour nous aider à bouger et à fonctionner.
L'électroencéphalographie, ou EEG, est probablement la deuxième technique la plus connue pour enregistrer l'activité neuronale. Alors que l'IRMf enregistre le flux sanguin – un indicateur de l'activation des neurones – l'EEG enregistre directement l'activité électrique dans le cerveau grâce à des électrodes placées sur le cuir chevelu du sujet.
Les signaux cérébraux sont-ils plus rapides que la lumière ?
La pensée est-elle plus rapide que la lumière ? Non. Si nous parlons au sens littéral, les pensées se déplacent sous forme d’impulsions électrochimiques dans notre cerveau. Les vitesses d'influx nerveux mesurées les plus élevées sont d'environ 120 m/s, mais ne se trouvent que dans le contrôle musculaire et les nerfs de rétroaction.
Les cellules du cerveau se connectent via des signaux nerveux
Les scientifiques ont récemment identifié une forme unique de messagerie cellulaire qui se produit dans le cerveau humain et qui n’a jamais été observée auparavant. Fait intéressant, cette découverte suggère que nos cerveaux pourraient être des unités de calcul encore plus puissantes que nous le pensions auparavant.
Un signal unique en son genre a été détecté dans le cerveau humain
Des scientifiques des Universités Humboldt et de Grèce, dont les recherches ont été publiées dans Science en janvier 2020, ont identifié une forme unique de messagerie cellulaire qui se produit dans le cerveau humain.
Les chercheurs ont signalé un mécanisme dans les cellules corticales externes du cerveau qui produit lui-même un nouveau signal “gradué”, ce qui pourrait fournir aux neurones individuels un autre moyen d'accomplir leurs fonctions logiques.
En mesurant l'activité électrique dans des sections de tissus prélevés lors d'une intervention chirurgicale chez des patients épileptiques et en analysant leur structure par microscopie à fluorescence, les neurologues ont découvert que les cellules individuelles du cortex utilisaient non seulement les ions sodium habituels pour ‘s'allumer’, mais également le calcium.
Cette combinaison d’ions chargés positivement a provoqué des ondes de tension jamais observées auparavant, connues sous le nom de potentiels d’action dendritiques médiés par le calcium, ou dCaAP.
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| Nos cerveaux pourraient être des unités informatiques encore plus puissantes que nous le pensions |
Les deux utilisent la puissance d’une tension électrique pour effectuer diverses opérations. Dans les ordinateurs, cela se présente sous la forme d’un flux assez simple d’électrons passant par des intersections appelées transistors.
Dans les neurones, le signal se présente sous la forme d’une onde ouvrant et fermant des canaux qui échangent des particules chargées telles que le sodium, le chlorure et le potassium. Cette impulsion d’ions circulant s’appelle potentiel d’action.
Un potentiel d'action se produit lorsque le potentiel membranaire d'une cellule spécifique augmente et diminue rapidement. Cette dépolarisation entraîne une dépolarisation similaire des emplacements adjacents. Les potentiels d'action se produisent dans plusieurs types de cellules animales, appelées cellules excitables, notamment les neurones, les cellules musculaires et certaines cellules végétales. Certaines cellules endocriniennes, comme les cellules bêta du pancréas et certaines cellules de l'hypophyse antérieure, sont également des cellules excitables.
Dans les neurones, les potentiels d'action jouent un rôle central dans la communication de cellule à cellule en assurant – ou, en ce qui concerne la conduction saltatoire, en aidant – la propagation des signaux le long de l'axone du neurone jusqu'aux boutons synaptiques situés dans le neurone. Ces signaux peuvent ensuite se connecter à d’autres neurones au niveau des synapses ou à des cellules ou glandes motrices.
Au lieu de transistors, les neurones traitent ces messages chimiquement au bout de branches appelées dendrites.
Ce sont les fondements logiques de notre cerveau : des ondes de tension qui peuvent communiquer collectivement de deux manières :
* Un message AND. Si X et Y sont activés, le message est transmis.
* Un message OR. Si X ou Y est activé, le message est transmis.
On peut soutenir que cela n’est nulle part plus complexe que dans la partie externe dense et ridée du système nerveux central humain – le cortex cérébral. Les couches deuxième et troisième les plus profondes sont particulièrement épaisses et remplies de branches qui remplissent des fonctions d'ordre supérieur que nous associons à la sensation, à la pensée et au contrôle moteur.
Ce sont les tissus de ces couches que les chercheurs ont examinés de près, attachant les cellules à un dispositif appelé patch-clamp somato-dendritique pour envoyer des potentiels actifs de haut en bas de chaque neurone, enregistrant leurs signaux.
Pour s'assurer que les résultats n'étaient pas exclusifs aux personnes épileptiques, ils ont revérifié leurs résultats sur une poignée d'échantillons prélevés sur des tumeurs cérébrales.
Bien que l’équipe ait mené des expériences similaires sur des rats, les types de signaux observés sifflant à travers les cellules humaines étaient très différents.
Plus important encore, lorsqu’ils ont administré aux cellules un inhibiteur des canaux sodiques appelé tétrodotoxine, ils ont quand même trouvé un signal. Ce n'est qu'en bloquant le calcium que tout s'est calmé.
Trouver un potentiel d’action médié par le calcium est assez intéressant. Mais la modélisation de la manière dont ce nouveau type de signal sensible fonctionne dans le cortex a révélé une surprise.
Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour voir comment les dCaAP se comportent dans des neurones entiers et dans un système vivant. Sans oublier s’il s’agit d’une chose humaine ou si des mécanismes similaires ont évolué dans d’autres parties du règne animal.
La technologie s’inspire également de notre propre système nerveux pour développer un meilleur hardware ; savoir que nos propres cellules individuelles ont quelques atouts supplémentaires dans leur sac pourrait conduire à de nouvelles façons de mettre en réseau les transistors.
La manière exacte dont ce nouvel outil logique compressé dans une seule cellule nerveuse se traduit en fonctions supérieures est une question à laquelle les futurs chercheurs devront répondre.
L’interface cerveau-machine
On sait de mieux en mieux mesurer l’activité cérébrale, la décoder et la maîtriser. À tel point que l’activité cérébrale peut piloter directement des machines. Les interfaces cerveau-machine permettent de naviguer dans des mondes virtuels, dans des jeux vidéo d’un nouveau type, mais aussi dans le domaine médical.
L’Intelligence Artificielle transforme les signaux du cerveau en parole
Cette technologie pourrait aider à rétablir une capacité de parler chez les personnes souffrant de lésions cérébrales ou de troubles neurologiques comme l’épilepsie, la maladie d’Alzheimer, la sclérose en plaques, la maladie de Parkinson ou d’autres maladies.
L’avantage de l’intelligence artificielle étant qu’elle peut réellement venir en aide aux personnes ayant des problèmes d’élocution ou qui ont perdu leurs capacités à communiquer à la suite d’un AVC ou d’autres maladies.
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Le cerveau recueille les signaux de menace et les transforme en peur
Les scientifiques de la Fondation Clayton de Salk pour la biologie des peptides ont découvert, dans une étude publiée dans Cell Reports en août 2022, une voie moléculaire qui distille des images, des sons et des odeurs menaçants en un seul message : ayez peur.
La plupart des menaces externes impliquent des signaux multi-sensoriels, tels que la chaleur, la fumée et l'odeur d'un feu de forêt. Des recherches antérieures ont montré que différentes voies relaient indépendamment les signaux de menace sonore, visuelle et tactile vers plusieurs zones du cerveau. Une seule voie qui intègre tous ces indices serait bénéfique pour la survie, mais personne n'avait jamais trouvé une telle voie.
Des recherches antérieures ont également montré que l'amygdale, qui initie des réponses comportementales et forme des souvenirs de peur aux stimuli environnementaux et émotionnels, reçoit une forte contribution des régions du cerveau qui sont chargées d'un produit chimique associé à l'aversion, le neuropeptide CGRP (peptide lié au gène de la calcitonine).
La voie cérébrale que les chercheurs ont découverte fonctionne comme un système d'alarme central. Les neurones CGRP sont activés par des signaux sensoriels négatifs des cinq sens : la vue, l'ouïe, le goût, l'odorat et le toucher. L'identification de nouvelles voies de menace fournit des informations sur le traitement des troubles liés à la peur.
Une molécule appelée CGRP permet aux neurones de deux zones distinctes du cerveau de regrouper des signaux sensoriels menaçants en un signal unifié, de le marquer comme négatif et de le transmettre à l'amygdale, qui traduit le signal en peur.
Pris ensemble, leurs découvertes montrent que deux populations distinctes de neurones CGRP – l'une dans le thalamus, l'autre dans le tronc cérébral – se projettent dans des zones non superposées de l'amygdale, formant deux circuits distincts. Les deux populations encodent des images, des sons, des odeurs, des goûts et des touchers menaçants en communiquant avec les réseaux cérébraux locaux. Enfin, ils ont découvert que les deux circuits sont nécessaires pour former des souvenirs aversifs, ceux qui vous disent : “Restez à l'écart”. Cela suggère que les circuits rapportés ici peuvent également être impliqués dans des troubles psychiatriques liés à la perception de la menace.
La recherche pourrait conduire à de nouvelles thérapies pour les troubles liés à la peur tels que le trouble de stress post-traumatique (SSPT) ou les troubles d'hypersensibilité tels que l'autisme, les migraines et la fibromyalgie.
Les implants cérébraux décodant le langage directement depuis le cerveau progressent rapidement
Les implants cérébraux, qui permettent aux patients privés de l'usage de la parole de s'exprimer via un écran, ont connu une grande avancée technique. Rendre la parole à ceux qui en ont perdu l'usage à cause d'une maladie ou d'un accident devient de plus en plus plausible, selon deux expériences d'implants cérébraux publiées dans la revue scientifique Nature en août 2023.
Chercheurs du département de neurochirurgie de l'université de Stanford
Pat Bennett, 68 ans, était une cadre supérieure dynamique et sportive, jusqu'à un diagnostic de maladie de Charcot posé il y a plus de dix ans. Cette maladie neuro-dégénérative, qui prive progressivement le patient de tout mouvement jusqu'à la paralysie complète, s'est d'abord traduite chez elle par des difficultés d'élocution, puis l'impossibilité de parler.
Les signaux produits sont véhiculés en dehors du crâne grâce à un faisceau de câbles, et traités par un algorithme. La machine a "appris", sur quatre mois, à en interpréter le sens. Elle associe les signaux à des phonèmes, les sons qui permettent de former les mots d'une langue, et les traite avec l'aide d'un modèle de langage.
Avec son interface cerveau-machine (ICM), Pat Bennett parle via un écran au rythme de plus de 60 mots par minute. Encore loin des 150 à 200 mots par minute d'une conversation standard, mais déjà trois fois plus rapidement que dans le précédent record, datant de 2021 et déjà détenu par l'équipe qui l'a prise sous son aile. Le taux d'erreur sur un vocabulaire de 50 mots est tombé à moins de 10%, contre plus de 20% auparavant.
Chercheurs à l'Université de Californie
Dans la deuxième expérience, le dispositif repose sur une bande d'électrodes posée sur la matière corticale. Ses performances sont comparables au système de l'équipe de Stanford, avec une médiane de 78 mots par minute, cinq fois plus rapide qu'auparavant.
La particularité du dispositif est de reposer sur l'analyse des signaux émis non seulement dans les aires liées directement au langage mais aussi plus largement dans le cortex sensorimoteur, qui actionne les muscles faciaux et oraux pour produire des sons.
L'interface cerveau-machine produit du langage sous forme de texte, mais aussi avec une voix synthétisée et un avatar reproduisant les expressions faciales du patient quand il s'exprime.
L'équipe vise maintenant une version sans fil du dispositif, qui aurait des conséquences profondes sur l'indépendance et les interactions sociales d'un patient.
Dans les deux expériences, le taux d'erreur monte aux alentours de 25% quand les patientes utilisent un vocabulaire de plusieurs dizaines de milliers de mots.
Les souvenirs musculaires sont “compressés et décompressés” dans le cerveau, tout comme les fichiers informatiques
Des scientifiques du Centre pour la santé du cerveau humain de l'Université de Birmingham, dans une étude publiée dans le Journal of Neuroscience en février 2023, ont révélé ce qui se passe dans le cerveau lorsque les gens planifient et exécutent des schémas de mouvement appris.
Exploiter notre “mémoire musculaire” pour attacher nos chaussures ou jouer d'un instrument peut sembler automatique, mais pour exécuter ces mouvements appris, le cerveau se lance dans une vague d'activité, “déverrouillant” et “compressant” rapidement toutes les informations clés sur le mouvement qui se fait.
Les 24 participants à l’étude – dont aucun n’était musicien qualifié – ont appris des mélodies simples au clavier à une main pendant plusieurs jours et ont ensuite été invités à jouer ces séquences de mémoire dans le scanner IRMf. À chaque essai dans le scanner, le participant recevait un signal visuel pour se préparer à jouer l'un des morceaux, puis un deuxième signal pour le jouer.
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| Des scanners cérébraux de personnes pendant qu'elles jouaient une simple séquence de notes sur un clavier |
Ces analyses ont révélé que des régions liées au mouvement de la surface externe ridée du cerveau – le cortex cérébral – s'illuminaient pendant la phase de planification, et cette activité reflétait l'ordre et le timing des notes ultérieures. En d’autres termes, des schémas spécifiques d’activité cérébrale étaient traduits de manière fiable en séquences particulières de notes, et séparément, d’autres schémas d’activité reflétaient la durée de ces notes.
Cela se produit très rapidement et automatiquement à chaque fois, dans les centaines de millisecondes précédant le début de l'action. Ensuite, lorsqu'il est temps de jouer les notes, ces modèles distincts qui représentent l'ordre et le timing des notes sont intégrés, ou “compressés”, ce qui donne lieu à un modèle nouveau et unique d'activité cérébrale.
On pense que deux régions, connues sous le nom de zones pré-motrices et pariétales, stockent des informations “de haut niveau” sur les mouvements ; dans ce cas, l'ordre et le timing des frappes. Le cortex moteur primaire, qui communique avec les muscles via la moelle épinière, ne gère que des informations de “bas niveau” : alors que les muscles des doigts et des avant-bras ont en réalité besoin de s'activer pour que les frappes se produisent.
Les zones considérées comme étant de “bas niveau” et uniquement capables de communiquer des commandes fixes aux muscles postérieurs se sont avérées constamment mises à jour en fonction des défis d'ordre et de timing d'un mouvement, étant ainsi impliquées de manière dynamique dans la planification et l'exécution du mouvement.
L'équipe commence également à étudier l'apprentissage moteur chez des musiciens formés, en plus des débutants.
Les musiciens possédant une maîtrise expérimentée des doigts et un contrôle de la séquence et du timing sont similaires aux athlètes d’élite. Il se peut que, chez des individus hautement entraînés, certaines séquences de mouvements soient “programmées” dans le cortex moteur et que des ajustements rapides aux caractéristiques de haut niveau de ces mouvements puissent se développer différemment que dans le cerveau des débutants.
Découverte de mystérieux signaux cérébraux “en spirale”, qui pourraient être la clé de notre cognition
Des scientifiques de l’Université de Sydney et de l’Université de Fudan, dans une étude publiée dans Nature Human Behaviour en juin 2023, révèlent avoir découvert des ondes en forme de spirale répandues dans toute la couche externe du tissu neural.
Le cortex cérébral est la couche la plus externe du cerveau et c’est le plus grand site d’intégration neuronale du système nerveux central, comportant entre 14 et 16 milliards de neurones. Il joue un rôle clé dans de nombreuses fonctions cognitives complexes, telles que l’attention, la perception, la pensée, la mémoire, le langage et la conscience. Les signaux cérébraux découverts par les chercheurs se propagent dans tout le cortex et s’avèrent omniprésents, tant au repos que dans les tâches cognitives.
Des “ponts” pour traiter plus rapidement les informations
C’est en examinant les scans cérébraux d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) d’une centaine de jeunes adultes que l’équipe a identifié pour la première fois ces étranges spirales cérébrales, se propageant à travers le cortex. Elles étaient présentes dans le cerveau de tous les participants.
Ils ont remarqué que les spirales cérébrales tournent autour de points centraux qu’ils nomment “centres de singularité de phase”, tandis que les centres eux-mêmes se propagent à travers le cortex, produisant une riche dynamique spatio-temporelle. Ils précisent que les spirales peuvent parcourir jusqu’à dix centimètres environ dans le cortex. L’équipe rapporte également que les distributions de spirales dans les hémisphères gauche et droit présentent un certain degré de symétrie ; ils ont observé en effet que les amas de spirales de directions de rotation opposées ont tendance à se trouver dans les mêmes régions fonctionnelles des deux hémisphères.
Il apparaît par ailleurs que les spirales émergent souvent aux frontières séparant les différents réseaux fonctionnels du cerveau. Cet emplacement particulier suggère qu’elles pourraient agir comme des “ponts de communication”, reliant efficacement l’activité cérébrale à différentes régions ou réseaux de neurones du cerveau via leur mouvement de rotation. Certaines des spirales observées étaient suffisamment grandes pour couvrir plusieurs réseaux.
Les interactions complexes entre plusieurs spirales co-existantes pourraient permettre aux calculs neuronaux d’être effectués de manière distribuée et parallèle, conduisant à une efficacité de calcul remarquable.
Vers une meilleure compréhension du cerveau et de ses pathologies
Les chercheurs ont découvert que ces spirales cérébrales en interaction permettent une reconfiguration flexible de l’activité cérébrale lors de diverses tâches impliquant le traitement du langage naturel et la mémoire de travail. Lorsque les participants à l’étude étaient invités à effectuer certaines tâches – répondre à une question de mathématique ou écouter une histoire par exemple –, les spirales changeaient de direction du sens horaire au sens anti-horaire dans différentes régions du cerveau. Ceci suggère qu’elles coordonnent l’activité cérébrale en modifiant leur sens de rotation. Leur distribution est également spécifique à la tâche.
Leur étude suggère que mieux comprendre comment les spirales sont liées au traitement cognitif pourrait considérablement améliorer la compréhension de la dynamique et des fonctions du cerveau. Une meilleure compréhension des fonctions fondamentales du cerveau pourrait aider, par la même occasion, à mieux cerner les effets de certaines maladies, telles que la démence ou la paralysie cérébrale, qui affectent directement le cortex.
L’équipe pense que sa découverte pourrait avoir le potentiel de faire progresser le développement d’ordinateurs sophistiqués, directement inspirés du fonctionnement complexe du cerveau humain. Les chercheurs espèrent que leur étude encouragera d’autres neuro-scientifiques à examiner des phénomènes à plus grande échelle dans le cerveau, afin de disposer d’une image plus complète de son fonctionnement.
Les signaux cérébraux permettent de détecter des activités cognitives et motrices qui, appliquées à
différents domaines d'études, peuvent contribuer au développement et améliorer la qualité de vie des personnes.
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