Pendant des décennies, les scientifiques se sont concentrés sur la manière dont le cerveau traite les informations de manière hiérarchique, avec différentes zones cérébrales spécialisées pour différentes tâches. Cependant, la manière dont ces zones communiquent et intègrent les informations pour former un tout cohérent est restée un mystère. Aujourd'hui, des chercheurs de la faculté de médecine de l'université de Californie à San Diego nous ont rapprochés de la résolution de ce problème en observant comment les neurones se synchronisent dans le cerveau humain pendant la lecture. Les résultats sont publiés dans Nature Comportement humain et constituent également la base d'une thèse du candidat au doctorat de la faculté de médecine de l'UC San Diego, Jacob Garrett.
La relation entre l'activité cérébrale et l'expérience subjective de la conscience est l'une des questions fondamentales sans réponse des neurosciences modernes. Si vous pensez à ce qui se passe lorsque vous lisez un texte, quelque chose dans le cerveau doit transformer cette série de lignes en un mot, puis l'associer à une idée ou à un objet. Nos résultats étayent la théorie selon laquelle cela est accompli par de nombreuses zones différentes du cerveau qui s'activent de manière synchronisée.
Eric Halgren, Ph.D., auteur principal de l'étude, professeur aux départements de neurosciences et de radiologie de la faculté de médecine de l'Université de Californie à San Diego
Cette synchronisation de différentes zones cérébrales, appelée « co-ondulation », est considérée comme essentielle pour lier différentes informations entre elles afin de former un tout cohérent. Chez les rongeurs, on a observé une co-ondulation dans l'hippocampe, la partie du cerveau qui code les souvenirs. Chez l'homme, Halgren et ses collègues ont déjà observé que la co-ondulation se produit également dans l'ensemble du cortex cérébral.
Pour examiner la co-ondulation au niveau mécaniste, Ilya Verzhbinsky, candidat au doctorat en médecine de l'UC San Diego School of Medicine, qui termine ses recherches dans le laboratoire de Halgren, a dirigé une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences qui a examiné ce qui arrive aux neurones individuels qui s'activent dans différentes zones corticales pendant les ondulations. La présente étude examine le phénomène avec une perspective plus large, en se demandant comment les milliards de neurones du cortex sont capables de coordonner ces activations pour traiter l'information.
« Le cortex contient 16 milliards de neurones, soit deux fois plus que la population mondiale », explique Halgren. « De la même manière qu’un grand chœur doit être organisé pour sonner comme une seule entité, nos neurones cérébraux doivent être coordonnés pour produire une pensée ou une action unique. La co-ondulation est comme des neurones qui chantent juste et en rythme, ce qui nous permet d’intégrer des informations et de donner un sens au monde. À moins qu’ils ne se co-ondulent, ces neurones n’ont pratiquement aucun effet sur les autres, mais une fois que les ondulations sont présentes, environ deux tiers des paires de neurones du cortex se synchronisent. Nous avons été surpris par la puissance de cet effet. »
L’observation de co-ondulations dans le cortex est difficile chez l’homme en raison des limites de l’imagerie cérébrale non invasive. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont utilisé une approche appelée électroencéphalographie intracrânienne (EEG), qui mesure l’activité électrique du cerveau depuis l’intérieur du crâne. L’équipe a étudié un groupe de 13 patients atteints d’épilepsie pharmaco-résistante qui étaient déjà soumis à une surveillance EEG dans le cadre de leurs soins. Cela a permis d’étudier l’activité du cerveau de manière plus approfondie que les scanners cérébraux classiques à l’aide d’approches non invasives.
Les participants ont vu une série de noms d'animaux entrecoupés de consonnes aléatoires ou de polices de caractères dénuées de sens, puis ont été invités à appuyer sur un bouton pour indiquer l'animal dont ils avaient vu le nom. Les chercheurs ont observé trois stades de cognition au cours de ces tests : une phase hiérarchique initiale dans les zones visuelles du cortex dans laquelle le participant pouvait voir le mot sans le comprendre consciemment ; une deuxième phase dans laquelle cette information était « semée » avec des co-ondulations dans d'autres zones du cortex impliquées dans des fonctions cognitives plus complexes ; et une phase finale, toujours avec des co-ondulations, où l'information à travers le cortex est intégrée dans une connaissance consciente et une réponse comportementale – appuyer sur le bouton.
Les chercheurs ont constaté que tout au long de l’exercice, des ondulations se produisaient entre les différentes parties du cerveau engagées dans ces étapes cognitives, mais les ondulations étaient plus fortes lorsque les participants lisaient de vrais mots.
Les résultats de l’étude ont des implications potentielles à long terme pour le traitement des troubles neurologiques et psychiatriques, tels que la schizophrénie, qui sont caractérisés par des perturbations dans ces processus d’intégration de l’information.
« Il sera plus facile de trouver des moyens de réintégrer l’esprit chez les personnes atteintes de ces troubles si nous pouvons mieux comprendre comment les esprits sont intégrés dans les cas typiques et sains », a ajouté Halgren.
Plus largement, les résultats de l’étude ont des implications importantes pour notre compréhension du lien entre la fonction cérébrale et l’expérience humaine.
« Il s’agit d’une question fondamentale de l’existence humaine, qui touche au cœur de la relation entre l’esprit et le cerveau », a déclaré Halgren. « En comprenant comment les neurones de notre cerveau fonctionnent ensemble, nous pouvons acquérir de nouvelles connaissances sur la nature même de la conscience. »
Les co-auteurs supplémentaires de l'étude incluent Erik Kaestner de la faculté de médecine de l'UC San Diego, Chad Carlson du Medical College of Wisconsin, Werner K. Doyle et Orrin Devinsky de la faculté de médecine Langone de l'université de New York, et Thomas Thesen de la faculté de médecine Geisel.
L'étude a été financée, en partie, par les National Institutes of Health (subventions MH117155, T32MH020002) et l'Office of Naval Research (subvention N00014-16-1-2829).