De nouvelles recherches de l'École de médecine de l'Université de Pittsburgh et de l'Université de Cambridge ont bouleversé une croyance de longue date sur la plasticité cérébrale.
Une étude publiée aujourd'hui dans Neuroscience de la nature montre que la «carte corporelle» intégrée du cerveau reste stable même lorsque le corps subit des changements drastiques, comme la perte d'un membre.
Les résultats ont des implications pour le traitement de la douleur « des membres fantômes » et suggèrent que la réalisation de la restauration fiable de la sensation et le contrôle des membres de remplacement robotique via les interfaces cérébrales-ordinateur peut être plus viable à long terme qu'auparavant.
Cette étude est un puissant rappel que même après la perte de membres, le cerveau tient le corps, attendant de se reconnecter. «
Hunter Schone, Ph.D., auteur principal, chercheur postdoctoral à Pitt Rehab Neural Engineering Labs
La recherche fondamentale des neurosciences a montré que le cortex somatosensoriel – une zone du cerveau situé juste derrière le lobe frontal – contient une carte riche et complexe du corps, avec différentes régions correspondant à différentes parties du corps. La région correspondant à la main et aux doigts, par exemple, est à côté de la zone représentant les lèvres, le nez et les yeux.
Ces cartes sont responsables du traitement des informations sensorielles, telles que le toucher, la température et la douleur, ainsi que la position du corps. Par exemple, toucher quelque chose de chaud avec la main active une région cérébrale juste au-dessus de l'oreille.
Pendant des décennies, les neuroscientifiques pensaient que la perte d'un membre a fait réorganiser la carte du corps du cerveau. Les régions voisines envahiraient et réutiliseraient la zone du cerveau qui représentait auparavant le membre désormais amputé, la vieille pensée est allée. Mais cette théorie a longtemps en conflit avec les expériences des patients car de nombreuses personnes continuent de ressentir des sensations vives de leurs membres manquants. Ajoutant au puzzle, des études précédentes d'imagerie cérébrale ont montré que lorsque les individus qui ont eu une tentative d'amputation pour déplacer leurs membres fantômes, leurs modèles d'activation cérébrale ressemblent étroitement à ceux des individus valides.
Pour enquêter sur cette contradiction, une équipe dirigée par Tamar Makin, Ph.D., professeur de neurosciences cognitives à l'Université de Cambridge, a suivi trois personnes en raison de l'amputation de l'une de leurs mains – la première fois qu'une étude examine les cartes de la main et du visage d'individus avant et après l'amputation. La plupart des travaux ont été effectués pendant que Makin et Schone se trouvaient à l'University College de Londres.
Les chercheurs ont demandé aux participants à l'étude de se déplacer ou de tenter de bouger, de leurs doigts et de bourser leurs lèvres tout en allongé dans un scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Ces scanneurs d'IRM fonctionnelles ont été prises avant l'amputation prévue de la main, puis à nouveau trois et six mois après la chirurgie. Un participant a été numérisé à nouveau 18 mois après l'amputation et un deuxième participant cinq ans après l'amputation.
L'analyse des images «avant» et «après» a révélé une cohérence remarquable: même avec leur main manquante, la région du cerveau correspondante activée de manière presque identique.
« En raison de nos travaux antérieurs, nous soupçonnons que les cartes du cerveau seraient largement inchangées, mais la mesure dans laquelle la carte du membre manquant est restée intacte était à couper le souffle », a déclaré Makin. « Gardant à l'esprit que le cortex somatosensoriel est responsable de l'interprétation de ce qui se passe dans le corps, il semble étonnant qu'il ne semble pas savoir que la main n'est plus là. »
Les chercheurs ont également confirmé que la région correspondant aux lèvres n'avait pas repris la région représentant la main manquante, réfutant les hypothèses de longue date que la carte corporelle peut se réorganiser considérablement.
Les chercheurs pensent que l'idée fausse provient des défauts de méthodologie. Bien que le cerveau ait une carte du corps, chaque partie de la carte ne supporte pas une partie du corps exclusivement – c'est pourquoi l'activité des zones voisines de la carte pourrait être mal interprétée comme prenant le relais.
Les résultats de l'étude expliquent également pourquoi les approches de traitement axées sur la restauration de la représentation du membre sur la carte du cerveau ont montré un succès limité pour la douleur des membres fantômes – ils ont peut-être abordé le mauvais problème. Les thérapies les plus prometteuses impliquent de repenser la façon dont la chirurgie d'amputation est effectuée, selon les scientifiques.
La reconnexion des parties restantes des nerfs à l'intérieur du membre résiduel vers de nouveaux muscles ou peau pourrait empêcher les nerfs d'envoyer des signaux qui contribuent à la sensation de douleur au cerveau. Anecdotiquement, parmi les trois participants, qui avaient tous une douleur importante des membres avant l'amputation, une procédure complexe pour greffer les nerfs à de nouveaux muscles. Ce participant est maintenant sans douleur.
Non seulement l'étude remet en question une croyance à long terme sur la plasticité cérébrale, mais elle suggère également que la restauration du mouvement ou de la sensation à un membre paralysé ou à une prothèse contrôlée par l'interface du cerveau-ordinateur – le type de travail fermé par des chercheurs de Pitt Rehab Engineering Labs – est possible à long terme.
« Maintenant que nous avons montré que ces cartes sont stables, les technologies d'interface cérébrale peuvent fonctionner en supposant que la carte du corps reste cohérente au fil du temps », a déclaré Schone. « Cela nous permet de passer à la frontière suivante: accéder à des détails plus fins de la carte des mains, comme distinguer la pointe du doigt de la base, et restaurer les aspects riches et qualitatifs de la sensation, tels que la texture, la forme et la température. »
Chris Baker, Ph.D., du Laboratoire de Brain & Cognition, National Institutes of Mental Health, et d'autres ont contribué à cette recherche.
