Le degré auquel le câblage du cerveau s’aligne sur ses modèles d’activité peut varier avec le sexe et l’âge, et peut être génétique, suggère une étude publiée par les chercheurs de Weill Cornell Medicine. L’étude constate que cet alignement peut également avoir des implications sur la cognition.
Les résultats publiés le 12 juillet dans Nature Communications aident à faire la lumière sur l’un des plus grands mystères de la biologie : le fonctionnement du cerveau, selon l’auteur principal, la Dre Amy Kuceyeski, professeure agrégée de mathématiques au département de radiologie et de neurosciences de la famille Feil. Institut de recherche sur le cerveau et l’esprit de Weill Cornell Medicine. Plus précisément, l’étude est une première étape vers la compréhension de la relation entre le câblage physique dans le cerveau et son flux d’activité.
« Des choses aussi fondamentales que l’alignement de l’anatomie et de la physiologie dans le cerveau ne sont pas comprises chez les humains », a expliqué le Dr Kuceyeski, qui dirige le laboratoire de connexion informatique du département de radiologie de Weill Cornell Medicine. « Si nous voulons pouvoir traiter efficacement les maladies neurologiques ou neuropsychiatriques, nous devons comprendre comment la structure et la fonction cérébrales interagissent. »
Pour commencer à percer ce mystère, le premier auteur Zijin Gu, doctorant en génie électrique et informatique au campus Ithaca de Cornell et membre du Computational Connectomics Laboratory, a analysé les données de 941 jeunes adultes en bonne santé participant au projet Human Connectome. Le projet Human Connectome est une entreprise massive menée par les National Institutes of Health pour cartographier toutes les voies impliquées dans le fonctionnement du cerveau humain.
Gu a utilisé des données d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour examiner le « câblage » du cerveau ou des faisceaux d’axones myélinisés, qui transmettent des signaux électriques. Ensuite, elle a comparé cela avec les données d’IRM fonctionnelle à l’état de repos, qui détectent les modèles d’activité cérébrale et peuvent faire la lumière sur la façon dont différentes régions du cerveau fonctionnent ensemble lorsqu’une personne est simplement assise dans le scanner IRM. À l’aide de ces outils, Gu a montré que la relation entre le câblage cérébral (alias connectivité structurelle) et la co-activation cérébrale (alias connectivité fonctionnelle) variait dans différentes parties du cerveau. La connectivité structurelle et fonctionnelle qu’elle a trouvée était le plus étroitement alignée dans les parties du cerveau impliquées dans le traitement des informations visuelles et les zones sous-corticales du cerveau impliquées dans des activités telles que la mémoire et les émotions. Mais il y avait moins d’alignement entre la structure et la fonction du cerveau dans le système limbique du cerveau, qui contrôle des choses comme la faim et la réaction de combat ou de fuite, et le cervelet, qui coordonne le mouvement.
Le degré d’alignement entre la structure physique du cerveau dans ces régions et leur activité variait selon les individus et était plus similaire parmi les individus apparentés dans l’étude, tels que les frères et sœurs ou les jumeaux. Plus précisément, un alignement étroit entre le câblage structurel et l’activité fonctionnelle des zones sous-corticales et du cervelet semblait avoir une forte composante génétique avec des similitudes étroites entre les personnes apparentées.
Le degré de connectivité dans différentes régions du cerveau était également associé à l’âge, au sexe et à la performance des personnes aux tests cognitifs.
Les hommes ont tendance à avoir un couplage connectivité structurelle-connectivité fonctionnelle plus élevé dans les réseaux attentionnels et limbiques, tandis que les femmes ont un couplage connectivité structurelle-connectivité fonctionnelle plus élevé dans les réseaux sous-corticaux. »
Zijin Gu, premier auteur
Ces différences entre les sexes peuvent aider à expliquer pourquoi les hommes et les femmes présentent souvent des symptômes distincts avec des troubles cérébraux comme l’autisme ou le TDAH, a expliqué le Dr Kuceyeski. « S’il existe des différences sexuelles dans l’alignement structurel et fonctionnel du cerveau, cela peut nous donner des indices sur les raisons pour lesquelles le comportement ou les symptômes varient entre les hommes et les femmes avec un développement cérébral atypique », a-t-elle déclaré.
L’équipe, qui comprenait également le Dr Keith Jamison, chercheur associé au Computational Connectomics Laboratory, et le Dr Mert Sabuncu, professeur agrégé de génie électrique et informatique à Cornell et en radiologie à Weill Cornell Medicine, prévoit d’analyser ensuite les données sur les enfants. , les adolescents et les participants adultes plus âgés au Human Connectome Project pour en savoir plus sur la relation entre la structure et la fonction cérébrales au cours de la vie. Ils prévoient également de « construire un modèle de cerveau dans une boîte » en utilisant la modélisation mathématique et l’apprentissage automatique pour recréer certains des modèles qu’ils ont détaillés dans cette étude.
« Cette étude est vraiment une première étape dans la compréhension de l’alignement structurel et fonctionnel du cerveau humain », a déclaré le Dr Kuceyeski. « Nous pouvons utiliser ces informations pour essayer d’identifier les changements qui se produisent à la suite d’une maladie du cerveau, ce qui pourrait aider à guider le développement de nouvelles thérapies. »