Le cerveau humain est souvent considéré comme une énigme insondable. Si la science sait que le fonctionnement de notre cerveau résulte de la transmission de signaux entre des milliards de neurones connectés entre eux, elle a maintenant découvert que ce qui influence ces transmissions est en fait la forme de notre cerveau.
Pendant des décennies, les scientifiques ont souscrit à l’hypothèse selon laquelle les 86 milliards de neurones du cerveau, reliés par des trillions de liens, devaient contrôler les activités cérébrales et qu’il suffisait de connaître les schémas de ces connexions pour lever le voile sur les mystères qui entourent notre cerveau.
Cependant, une nouvelle étude publiée dans la revue Nature remet en question cette théorie et propose une nouvelle hypothèse : la forme du cerveau est en fait ce qui influence le plus nos activités cérébrales telles que la pensée, les sentiments, le comportement, etc.
L’étude révolutionnaire
L’étude menée par l’université Monash, en Australie, repose sur l’hypothèse que le système nerveux ne doit pas faire exception à la dynamique de nombreux systèmes naturels, qui sont contraints par leur structure sous-jacente.
Par exemple, la morphologie des protéines détermine les molécules avec lesquelles elles vont interagir ; la forme du lit d’une rivière façonne les courants sous-marins ; et la forme des tambours influence leurs propriétés acoustiques.
Les scientifiques ont donc mené une expérience au cours de laquelle 255 personnes ont effectué des tâches telles que taper du doigt et ont passé des examens d’imagerie par résonance magnétique (IRM) de leur cerveau.
Ils ont ensuite rassemblé 10.000 cartes différentes de l’activité cérébrale humaine provenant d’autres expériences similaires menées dans le monde entier et ont créé un modèle informatique du lien entre la taille du cerveau et les ondes cérébrales.
Ils ont comparé ce modèle avec le modèle existant qui aligne l’activité cérébrale sur l’activité des neurones en tant que clé de la fonction cérébrale et ont constaté que le nouveau modèle montre une meilleure reconstruction de l’activité cérébrale dans les scanners IRM.
L’auteur principal de l’étude, James Pang, chercheur à l’université Monash, a comparé les ondes cérébrales à l’effet d’ondulation d’un étang, l’analogie étant que la forme et la taille de l’étang déterminent l’aspect des ondulations.
« La géométrie est très importante car elle détermine l’aspect de l’onde, qui à son tour est liée aux modèles d’activité que l’on observe lorsque les gens effectuent différentes tâches », a déclaré M. Pang à NBCNews.
Modes propres : Un nouvel aspect de l’étude
Les auteurs précisent qu’ils ont utilisé des modèles connus sous le nom de « modes propres ».
Les modes propres découlent du concept de valeurs propres et de vecteurs propres en algèbre linéaire. Dans le contexte d’un système physique, les valeurs propres correspondent aux fréquences auxquelles le système peut osciller, et les vecteurs propres décrivent la distribution spatiale ou le modèle de l’oscillation.
Par exemple, si l’on considère une corde vibrante fixée aux deux extrémités, les modes propres de la corde représentent les différentes façons dont elle peut vibrer avec des fréquences et des motifs spécifiques.
Les modes propres sont pertinents dans divers domaines de la science et de l’ingénierie, notamment l’électromagnétisme, l’acoustique, la mécanique des structures et la mécanique quantique, et sont utilisés pour comprendre le comportement et les propriétés de systèmes complexes et pour analyser la réponse de ces systèmes à des stimuli externes ou à des conditions limites.
Deux des auteurs de cette étude, James Pang et Alex Fornito, expliquent comment ils ont appliqué le concept des modes propres dans leur travail dans un article publié dans The Conversation.
« Nous avons découvert cette relation étroite entre la forme et la fonction en examinant les modèles naturels d’excitation qui peuvent être pris en charge par l’anatomie du cerveau. Dans ces modèles, appelés ‘modes propres’, différentes parties du cerveau sont toutes excitées à la même fréquence », expliquent-ils.
« Prenons l’exemple des notes de musique jouées par une corde de violon. Les notes proviennent de modèles vibratoires préférés de la corde qui se produisent à des fréquences de résonance spécifiques. Ces modèles préférentiels sont les modes propres de la corde. Ils sont déterminés par les propriétés physiques de la corde, telles que sa longueur, sa densité et sa tension.
« De la même manière, le cerveau possède ses propres modes d’excitation préférentiels, qui sont déterminés par ses propriétés anatomiques et physiques. Nous avons entrepris d’identifier les propriétés anatomiques spécifiques du cerveau qui affectent le plus fortement ces schémas ».
Les chercheurs ont conclu que la forme du cerveau est plus précise pour évaluer l’activité cérébrale.
« Nous avons tenté de décrire chaque carte d’activité à l’aide de modes propres basés sur la connectivité du cerveau et de modes propres basés sur la forme du cerveau. Nous avons constaté que les modes propres de la forme du cerveau – et non de la connectivité – fournissent la description la plus précise de ces différents modèles d’activation », ont déclaré James Pang et Alex Fornito.
Cependant, un autre neuroscientifique, David Van Essen, professeur à l’université de Washington à St. Louis, pense que la plupart des chercheurs croient encore à l’hypothèse initiale selon laquelle l’activité cérébrale est due à la communication des cellules nerveuses, et en particulier de leurs axones, qui agissent comme un fil dans le processus de transfert d’informations entre les cellules nerveuses.
« L’hypothèse fondamentale de départ est que le câblage du cerveau est essentiel pour comprendre le fonctionnement du cerveau », a affirmé M. Van Essen à NBC.
Il est sceptique quant à ces nouvelles découvertes. Il craint que les modèles soient basés sur la forme moyenne des cerveaux des participants, alors qu’en réalité, il existe une différence dans les schémas des plis de surface du cerveau.
« Ce serait un euphémisme de dire qu’il s’agit d’une théorie controversée, et qu’il faut vraiment la mettre à l’épreuve pour évaluer de manière critique si elle résiste à l’épreuve du temps », a-t-il déclaré.
M. Van Essen s’interroge également sur la précision des résultats de l’IRM en ce qui concerne le câblage du cerveau.
« Aussi passionnante et instructive qu’elle soit, cette technologie reste imprécise sur des points fondamentaux et incomplète, et laisse beaucoup de choses à régler dans le cadre d’études futures », a-t-il expliqué à propos de la technologie IRM.
Avantages de cette recherche
Toutefois, les chercheurs ont déclaré que cette nouvelle recherche ne diminue pas le rôle de la communication entre les cellules nerveuses, mais qu’elle contribue à la compréhension du rôle clé que joue la forme du cerveau dans l’ensemble du processus.
« Ce que les travaux montrent, c’est que la forme a une plus grande influence, mais cela ne veut pas dire que la connectivité n’est pas importante », a affirmé M. Pang.
Il a souligné que la nouvelle hypothèse présentait un avantage significatif : la forme du cerveau est beaucoup plus facile à mesurer que le câblage cérébral. L’évaluation des courbes et de la taille du cerveau peut donc contribuer à faire avancer la recherche dans diverses directions, comme le rôle de la forme du cerveau dans le développement de maladies neurologiques et psychiatriques.
Un autre avantage pourrait être la possibilité de mesurer la vitesse à laquelle les ondes cérébrales se déplacent dans les différentes parties du cerveau, ce qui permettrait de prédire la manière dont les gens traitent les informations et pourrait aider à traiter des maladies telles que la dépression et la schizophrénie, pense James Pang.
Cependant, Il pense que cette recherche est également solide en ce qui concerne la forme du cerveau de base de l’individu.
« Nous sommes convaincus que l’influence est réelle », a-t-il déclaré à NBC.
« Notre approche s’appuie sur des siècles de travaux en physique et en ingénierie. Dans ces domaines, la fonction d’un système est comprise en fonction des contraintes imposées par sa structure, telle qu’elle est incarnée par les modes propres du système », a écrit James Pang pour la publication en ligne, ScienceAlert.
« Cette approche n’a pas été traditionnellement utilisée en neurosciences. Au lieu de cela, les méthodes typiques de cartographie du cerveau reposent sur des statistiques complexes pour quantifier l’activité cérébrale sans aucune référence à la base physique et anatomique sous-jacente de ces schémas. »
Selon eux, cette nouvelle approche ouvre des possibilités d’étudier comment la forme du cerveau affecte sa fonction à travers l’évolution, le développement, le vieillissement et les maladies cérébrales.
« Notre découverte offre également des avantages pratiques immédiats, car les modes propres de la forme du cerveau sont beaucoup plus simples à quantifier que ceux de la connectivité cérébrale », ont déclaré les chercheurs.
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