Quels neurones du cerveau contrôlent les mouvements, et comment ? Cette question a été abordée par une équipe de chercheurs des domaines des neurosciences et de l’intelligence artificielle dans une étude menée sur un modèle animal au centre de recherche interdisciplinaire BrainLinks-BrainTools de l’Université de Fribourg. Les résultats, désormais publiés dans la revue Cell Reports, pourraient contribuer à améliorer la précision des prothèses contrôlées par l’esprit.
3, 2, 1 – et c’est parti ! Au signal sonore, tous les coureurs sortent de leurs blocs de départ et se lancent au sprint. La raison pour laquelle nous sommes capables d’agir en quelques fractions de seconde est que nous planifions à l’avance les mouvements dans notre cerveau, avant de les exécuter. Au centre de recherche interdisciplinaire BrainLinks-BrainTools de l’Université de Fribourg, une équipe de 15 chercheurs issus des domaines de la biologie, de l’intelligence artificielle et de la neurotechnologie ont étudié plus en détail comment la transition de la préparation mentale d’un mouvement à son exécution réelle avec ses muscles est contrôlée au niveau neuronal. Dans leur article, publié dans la revue Rapports de cellulesles chercheurs proposent désormais un modèle amélioré pour comprendre les processus neuronaux impliqués dans la planification des mouvements.
‘Grâce à ces recherches fondamentales, nous comprenons désormais mieux les processus neuronaux du cerveau permettant de contrôler les mouvements. À long terme, ces résultats pourraient être utilisés pour développer des traitements ou des aides pour les personnes à mobilité réduite. Des capteurs pourraient par exemple détecter des signaux de mouvement dans le cerveau et les transmettre à une prothèse intelligente.», déclare le professeur Dr. Ilka Diester, porte-parole du Centre BrainLinks-BrainTools et professeur d’optophysiologie à la Faculté de biologie, qui a conçu l’étude en collaboration avec le professeur Dr. Joschka Bödecker, professeur d’informatique à la Faculté d’ingénierie.
Mesure de l’activité neuronale pendant la planification et l’exécution du mouvement
Pour l’étude, les chercheurs ont entraîné des rats à déplacer un levier avec leur main jusqu’à ce qu’ils ressentent une vibration, puis à le relâcher. En récompense, ils ont reçu une goutte d’eau sucrée. Leurs activités neuronales ont été enregistrées au cours de cette expérience.
En ce qui concerne la planification et l’exécution des mouvements, le cerveau du rongeur est similaire au cerveau humain. Tous deux contiennent deux zones spécifiques qui deviennent actives lorsque les mouvements sont planifiés et exécutés : le cortex prémoteur et le cortex moteur primaire. ‘Jusqu’à présent, on ne savait pas exactement comment la planification des mouvements est coordonnée entre ces deux zones du cerveau. Nous nous sommes surtout demandé pourquoi ces deux régions cérébrales présentent une activité avant même l’exécution du mouvement et sans qu’aucun mouvement prématuré ne se produise.« , explique le Dr Julian Ammer, chercheur principal au sein du groupe de recherche en optophysiologie de Diester et l’un des premiers auteurs de l’étude, aux côtés du Dr Mansour Alyahyay, du Dr Gabriel Kalweit et de Hao Zhu.
L’hypothèse du changement de population
L’équipe de recherche a maintenant réussi à démontrer comment les commandes sont transmises au niveau neuronal : lors de la planification du mouvement, les neurones du cortex prémoteur communiquent avec les neurones inhibiteurs et excitateurs du cortex moteur primaire. L’ordre d’exécuter un mouvement ne peut être donné qu’une fois que l’activité neuronale du cortex prémoteur s’est déplacée vers les neurones qui communiquent principalement avec les neurones excitateurs du cortex moteur primaire. Ce n’est qu’alors qu’un signal externe – dans l’expérience, la vibration du levier – peut déclencher l’exécution du mouvement.
L’équipe de recherche appelle l’hypothèse selon laquelle ce modèle changeant d’activité neuronale permet l’exécution précise d’un mouvement planifié. Les chercheurs proposent que cette hypothèse remplace les deux hypothèses précédemment dominantes.
Collaboration interdisciplinaire entre biologie, intelligence artificielle et anatomie
Les résultats ont été rendus possibles grâce à une collaboration interdisciplinaire au centre de recherche BrainLinks-BrainTools de l’Université de Fribourg : le groupe de recherche de Diester est spécialisé dans l’utilisation de signaux lumineux pour influencer l’activité de neurones individuels, découvrant ainsi quelle fonction ils remplissent. Un modèle d’IA a soutenu l’interprétation des modèles d’activité et leur rôle dans la planification et l’exécution du mouvement. Le modèle a été développé par Bödecker et son équipe spécifiquement pour cette étude et a permis aux chercheurs de prédire quels groupes de neurones influencent le comportement de quelle manière.
En outre, le professeur Andreas Vlachos, chef du département de neuroanatomie de l’Institut d’anatomie et de biologie cellulaire, a utilisé des images au microscope électronique pour démontrer les connexions entre les neurones du cortex prémoteur et les neurones inhibiteurs et excitateurs du cortex moteur primaire au niveau cellulaire. Cela conforte l’hypothèse du changement de population d’un point de vue anatomique.
