Une étude montre comment le cerveau humain navigue dans l’espace physique et suit l’emplacement des autres

Pour la première fois, des scientifiques ont enregistré comment notre cerveau navigue dans l’espace physique et suit l’emplacement des autres. Les chercheurs ont utilisé un sac à dos spécial pour surveiller sans fil les ondes cérébrales des patients épileptiques alors que chacun se promenait dans une pièce vide à la recherche d’un endroit caché de deux pieds.

Dans un article publié dans La nature, les scientifiques rapportent que les ondes circulaient selon un schéma distinct, suggérant que le cerveau de chaque individu avait tracé les murs et d’autres limites.

Fait intéressant, les ondes cérébrales de chaque participant circulaient de la même manière lorsqu’ils étaient assis dans le coin de la pièce et regardaient quelqu’un d’autre se promener, suggérant que ces ondes étaient également utilisées pour suivre les mouvements d’autres personnes. L’étude faisait partie de l’initiative NIH’s Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies® (BRAIN).

Nous avons pu étudier directement pour la première fois comment le cerveau d’une personne navigue dans un espace physique réel partagé avec les autres. Nos résultats suggèrent que notre cerveau peut utiliser un code commun pour savoir où nous et les autres en sommes dans des contextes sociaux. « 

Nanthia Suthana, Ph.D, auteure principale de l’étude et professeure adjointe de neurochirurgie et de psychiatrie à la David Geffen School of Medicine, Université de Californie, Los Angeles

Le laboratoire du Dr Suthana étudie comment le cerveau contrôle l’apprentissage et la mémoire. Dans cette étude, son équipe a travaillé avec un groupe de participants souffrant d’épilepsie résistante aux médicaments, âgés de 31 à 52 ans, dont le cerveau a été implanté chirurgicalement avec des électrodes pour contrôler leurs crises.

Les électrodes résident dans un centre de mémoire dans le cerveau appelé le lobe temporal médial, qui est également censé contrôler la navigation, au moins chez les rongeurs.

Au cours du dernier demi-siècle, des scientifiques, dont trois lauréats du prix Nobel, ont découvert – expérience après expérience – que les neurones de ce lobe, appelés cellules de grille et cellules de place, agissent comme un système de positionnement global. De plus, les scientifiques ont découvert que les ondes à basse fréquence d’activité neuronale de ces cellules, appelées rythmes thêta, aident les rongeurs à savoir où eux et les autres se trouvent lorsqu’ils courent dans un labyrinthe ou nagent autour d’une piscine peu profonde.

« Plusieurs éléments de preuve indirecte soutiennent le rôle du lobe temporal médial dans la façon dont nous naviguons. Mais tester ces idées plus loin a été techniquement difficile », a déclaré Matthias Stangl, Ph.D., chercheur postdoctoral à l’UCLA et auteur principal de l’article .

Cette étude fournit les preuves les plus directes à ce jour soutenant ces idées chez l’homme et elle a été rendue possible par un sac à dos spécial que l’équipe du Dr Suthana a inventé dans le cadre d’un projet NIH BRAIN Initiative.

« Bon nombre des avancées les plus importantes dans la recherche sur le cerveau ont été déclenchées par les progrès technologiques. C’est ce que vise la NIH BRAIN Initiative. Elle met les chercheurs au défi de créer de nouveaux outils, puis d’utiliser ces outils pour révolutionner notre compréhension du cerveau et des troubles cérébraux. », a déclaré John Ngai, Ph.D., directeur de l’Initiative BRAIN du NIH.

À la base, le sac à dos contenait un système informatique qui peut se connecter sans fil aux électrodes implantées chirurgicalement dans la tête d’un patient. Récemment, les chercheurs ont montré que l’ordinateur pouvait être connecté simultanément à plusieurs autres appareils, notamment des lunettes de réalité virtuelle, des suiveurs oculaires et des moniteurs cardiaques, cutanés et respiratoires.

«Jusqu’à présent, les seuls moyens d’étudier directement l’activité cérébrale humaine exigeaient qu’un sujet soit immobile, soit couché dans un énorme scanner cérébral, soit branché à un appareil d’enregistrement électrique.

En 2015, le Dr Suthana m’est venu avec une idée pour résoudre ce problème et nous avons donc tenté de fabriquer un sac à dos », a déclaré Uros Topalovic, MS, étudiant diplômé de l’UCLA et auteur de l’étude.« Le sac à dos se libère. le patient et nous permet d’étudier le fonctionnement du cerveau lors des mouvements naturels. »

Pour examiner le rôle du lobe temporal médial dans la navigation, les chercheurs ont demandé aux participants à la recherche de mettre le sac à dos et d’entrer dans une pièce vide de 330 pieds carrés.

Chaque mur était bordé d’une rangée de cinq panneaux colorés numérotés de 1 à 5, une couleur par mur. Grâce à un haut-parleur monté au plafond, une voix informatisée a demandé au patient de marcher jusqu’à l’un des panneaux. Une fois arrivés au panneau, la voix leur a alors demandé de rechercher une tache de deux pieds de diamètre cachée quelque part dans la pièce. Pendant ce temps, le sac à dos enregistrait les ondes cérébrales du patient, les chemins à travers la pièce et les mouvements oculaires.

Au départ, chaque personne avait besoin de plusieurs minutes pour trouver l’endroit. Au cours des essais ultérieurs, le temps s’est raccourci au fur et à mesure que leur mémoire de l’emplacement du spot s’améliorait.

Les enregistrements électriques ont révélé un modèle distinct de l’activité cérébrale. Les rythmes thêta coulaient plus fort – avec des pics plus élevés et des vallées plus basses – lorsque les participants s’approchaient d’un mur que lorsqu’ils se promenaient au milieu de la pièce.

Cela s’est produit uniquement lorsqu’ils cherchaient l’endroit. En revanche, les chercheurs n’ont constaté aucune corrélation entre la force du rythme thêta et l’emplacement lorsque les participants suivaient les instructions pour se rendre aux panneaux colorés sur le mur.

«Ces résultats soutiennent l’idée que, dans certains états mentaux, les rythmes thêta peuvent aider le cerveau à savoir où se trouvent les limites. Dans ce cas, c’est lorsque nous sommes concentrés et que nous recherchons quelque chose», a déclaré le Dr Stangl.

Une analyse plus approfondie a soutenu cette conclusion et a permis d’exclure la possibilité que les résultats aient été causés par d’autres facteurs, tels que l’activité associée à différents mouvements des yeux, du corps ou de la tête.

Curieusement, ils ont vu des résultats similaires lorsque les participants ont regardé quelqu’un d’autre chercher une place. Dans ces expériences, les participants s’asseyaient sur une chaise dans le coin de la pièce avec leurs sacs à dos et leurs mains posées près d’un clavier. Les patients connaissaient l’emplacement de l’endroit caché et ils appuyaient sur un bouton du clavier chaque fois que l’autre personne y arrivait.

Encore une fois, les ondes cérébrales du participant coulaient le plus fort lorsque l’autre personne s’approchait d’un mur ou d’un endroit et ce modèle n’apparaissait que lorsque la personne était en chasse plutôt que de suivre des instructions spécifiques.

«Nos résultats soutiennent l’idée que notre cerveau peut utiliser ces modèles d’ondes pour se mettre à la place d’une autre personne», a déclaré le Dr Suthana. « Les résultats nous permettent de comprendre comment notre cerveau contrôle la navigation et, éventuellement, d’autres interactions sociales. »

L’équipe du Dr Suthana prévoit d’explorer ces idées plus en profondeur. De plus, l’équipe a mis le sac à dos à la disposition d’autres chercheurs qui souhaitent en savoir plus sur les troubles du cerveau et du cerveau.

Cette année, plus de 175 groupes de recherche ont reçu un financement du NIH pour soutenir une grande variété de projets allant de la cartographie des circuits neuronaux qui contrôlent ce qu’une pieuvre voit à aider les personnes paralysées par des lésions de la moelle épinière à retrouver des mouvements en améliorant les programmes informatiques qui stimulent les neurones. appareils de stimulation.