Lorsque l'activité électrique se déplace à travers le cerveau, elle se déplace comme des ondulations sur un étang. Le mouvement de ces «ondes cérébrales», observés pour la première fois dans les années 1920, peut maintenant être vu plus clairement que jamais grâce aux instruments et aux techniques créés par une équipe dirigée par Stanford.
La technologie, décrite dans le journal Celluleimplique deux instruments optiques ultra-sensibles qui peuvent détecter des signaux de protéines génétiquement modifiées, appelées «indicateurs de tension», révélant une activité neuronale des ondes cérébrales chez la souris. Bien que limité aux animaux de recherche, l'avance a déjà montré son potentiel. En utilisant ces instruments, les chercheurs ont découvert trois nouveaux types d'ondes cérébrales se déplaçant d'une manière jamais observée auparavant.
Nous obtenons une vision très large des vagues se propageant à travers le cerveau « , a déclaré Mark J. Schnitzer, auteur principal et professeur de biologie et de physique appliquée à l'école des sciences humaines et des sciences de Stanford.
Nous pouvons regarder plusieurs zones cérébrales à la fois et voir les ondes cérébrales balayer le cortex, la couche de tissu nerveux la plus externe du cerveau, avec une spécificité de type cellulaire. «
Mark J. Schnitzer, auteur principal et professeur, Université de Stanford
Contrairement aux électrodes, qui utilisent l'électricité pour détecter les taches individuelles de l'activité cérébrale, les instruments développés par l'équipe de Schnitzer utilisent l'optique, une technologie basée sur la lumière, pour image les ondes cérébrales lorsqu'ils voyagent en temps réel. Ils peuvent également se concentrer sur les vagues liées à un ou deux types de neurones spécifiques.
Les scientifiques essaient de comprendre les ondes cérébrales depuis leur première identification chez l'homme il y a plus d'un siècle par le médecin allemand Hans Berger, qui a utilisé des électrodes dans une première version d'un EEG (électroencéphalographie).
Les chercheurs savent maintenant que les anomalies dans ces vagues sont associées à différentes formes de maladie, notamment la Parkinson, la Alzheimer, l'épilepsie et la schizophrénie. Il est resté difficile de discerner quels types de neurones conduisent quels types d'ondes.
Ce dernier développement pourrait aider à résoudre ce problème. Il découle de plus d'une décennie de travaux sur les techniques optiques appelées Tempo rapportées pour la première fois dans un article de 2016 par une équipe comprenant Schnitzer, qui est également professeur de neurochirurgie à l'école de médecine de Stanford, et Michael Z. Lin, professeur de neurobiologie et de bio-enginisé à l'école de médecine. Lin est également co-auteur de la présente étude.
Dans cette étude, les chercheurs ont démontré l'utilisation de deux nouveaux instruments de tempo qui se complètent: un capteur de fibre optique dix fois plus sensible que les versions précédentes et peut suivre l'activité électrique dans le cerveau des souris au cours de leurs activités normales; et un mésoscope optique qui peut fournir une image cérébrale de 8 mm de large et montrer une activité neuronale à travers la majorité du néocortex de souris, la couche du cerveau responsable des fonctions de haut niveau telles que la perception et la cognition.
Avec cette technologie, les chercheurs ont pu voir plusieurs vagues jamais enregistrées auparavant, y compris deux types d'ondes bêta de fréquences plus élevées associées à une activité mentale alerte – qui se déplacent à angle droit les uns des autres.
Ils ont également découvert une onde thêta-une onde de fréquence inférieure associée au traitement de la mémoire – qui a voyagé non seulement dans une direction, comme on le savait auparavant, mais aussi en arrière.
Bien qu'il ne sache pas encore ce que cette nouvelle onde directionnelle pourrait indiquer, une théorie est que l'onde thêta pourrait être « en rétro-propagation », similaire à un mécanisme d'apprentissage utilisé par les modèles d'intelligence artificielle.
« Il semble que le cerveau ait une horloge interne qui synchronise l'activité neuronale, mais ces ondes itinérantes peuvent également réorganiser activement les circuits neuronaux sur de grandes distances, au-delà des connexions locales », a déclaré l'auteur co-dirigé Radosław Chrapkiewicz, directeur de l'ingénierie dans le laboratoire de Schnitzer. « Cela pourrait jouer un rôle important dans d'autres modèles d'IA bio-inspirés. »
Des recherches supplémentaires doivent être effectuées pour comprendre les implications de ces résultats, mais la nouvelle technologie ouvrira probablement de nombreuses voies pour les neurosciences ainsi que le développement de l'intelligence artificielle.
« Il existe de nombreuses applications très importantes dans le domaine des neurosciences pour comprendre la pathologie et différentes dynamiques dans le cerveau », a déclaré le chercheur Simon Haziza, l'auteur principal de l'étude. « Nous ne faisons que gratter la surface. »
