Le cerveau «au repos» est peut-être moins bruyant qu'on le pense

Les neuroscientifiques qui ont mesuré des schémas précis d'activité électrique directement à partir du cerveau humain ont trouvé des réseaux composés de régions distinctes et distantes qui agissent de concert pendant le rappel de la mémoire.
Notre cerveau utilise 20% de notre énergie, même s'il ne représente que 2% de notre poids corporel.

Écrire dans le journal La natureLes chercheurs de l’École de médecine de l’Université de Stanford affirment que leurs résultats appuient les observations indirectes des études d’imagerie cérébrale.

Ils disent que leurs résultats peuvent également expliquer pourquoi le cerveau utilise une grande partie de l'énergie du corps pendant les périodes où il semble ne rien faire, car un moteur de voiture consomme de l'essence au ralenti.

Nos cerveaux sont des organes avides; ils utilisent 20% de notre énergie, bien qu'ils ne représentent que 2% de notre poids corporel.

Ce qui est tout aussi surprenant, c’est que nos cerveaux brûlent du carburant - sous forme de glucose - au même rythme au repos ou au sommeil qu’ils le font pendant une activité physique ou mentale.

Une autre chose qui intrigue les scientifiques est que, dans l'état de repos, le cerveau semble très occupé à ne rien faire en particulier, produisant essentiellement beaucoup de «bruit» électrique inutile.

En fait, ce bruit électrique continue tout le temps, comme l'explique l'auteur principal Josef Parvizi, professeur agrégé de neurologie et de sciences neurologiques:

"L'augmentation de l'activité cérébrale pendant les pensées et les actions conscientes ne représente que la partie émergée de l'iceberg. La grande quantité d'énergie consommée par notre cerveau est due à son activité spontanée à tout moment lorsque nous ne sommes pas impliqués dans une tâche spécifique."

Au cours des 10 dernières années, en utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour suivre le flux sanguin dans le cerveau - un moyen indirect d'évaluer l'activité cérébrale - les scientifiques ont commencé à remarquer des caractéristiques spécifiques de ce bruit neuronal.

Avec l'IRMf, ils ont observé l'activité cérébrale au fur et à mesure que les sujets accomplissaient diverses tâches - de la résolution de problèmes mathématiques au rappel de ce qu'ils prenaient au petit déjeuner - et ont remarqué que différents types de tâches étaient associés à des activités cérébrales spécifiques.

Les modèles révèlent que des groupes de régions cérébrales distinctes et disparates en réseau fonctionnent ensemble pendant des types de tâches particuliers, et que les profils d'imagerie de ces modèles peuvent être repérés dans le bruit spontané.

Des études d'imagerie ont également montré que certains de ces schémas spécifiques à une tâche surviennent pendant les périodes de repos du cerveau, voire de perte de conscience, par exemple lorsque les sujets dorment ou sont sous anesthésie.

Cependant, les scientifiques ont réservé leur jugement sur ces preuves à partir d'études d'imagerie, car ce sont des observations indirectes de l'activité électrique du cerveau - elles ne permettent pas d'identifier les circuits individuels des neurones.

Une nouvelle étude est un grand pas en avant car elle mesure directement l'activité cérébrale électrique

La nouvelle étude est un grand pas en avant car elle mesure directement l'activité électrique dans le cerveau et, contrairement à l'IRMf, elle peut suivre l'activité au fil du temps et correspondre non seulement aux caractéristiques de localisation des modèles mais aussi à leur évolution dans le temps.

Le professeur Parvizi et ses collègues ont constaté que les bruits cérébraux provoqués par le sommeil ou le repos des yeux sont également caractérisés par des schémas d'activité cérébrale dus à la localisation et au temps, lorsque les sujets récupèrent une mémoire.

La technique utilisée par le professeur Parvizi et ses collègues est appelée électrophysiologie intracrânienne et leur a permis d’écouter des populations distinctes de neurones dans le cerveau. Il fonctionne en millimètres et en millisecondes - une résolution suffisamment petite pour obtenir des résultats significatifs d'un cerveau individuel.

Les lectures électrophysiologiques intracrâniennes ne peuvent être effectuées que lors de procédures cérébrales invasives. Pour cette étude, l'équipe a recruté trois patients souffrant d'épilepsie - deux femmes et un homme - qui devaient déjà passer une semaine à l'hôpital de Stanford pour subir des procédures invasives cérébrales pour des raisons médicales.

Les patients ont passé plusieurs jours avec des électrodes implantées dans différentes parties de leur cerveau, afin que les médecins puissent trouver l'endroit exact d'où provenaient les crises. Pendant ce temps, des lectures électrophysiologiques intracrâniennes précises ont été obtenues à partir de régions clés du cerveau qui constituent un réseau très important - le réseau par défaut.

Réseau de mode par défaut observé pendant les modes de tâche, de sommeil et de repos

Le réseau en mode par défaut est un réseau de parties du cerveau largement distribuées et consomme plus d'énergie que tout autre réseau. Il est le plus actif lorsque nous sommes au repos - soit avec les yeux fermés ou simplement en regardant dans le vide. Cela semble se produire lorsque nous ne faisons rien de particulier.

Le réseau en mode par défaut est également actif lorsque nous récupérons une mémoire autobiographique - par exemple, il se déclenche lorsque l’on nous demande ce que nous avions pour le petit-déjeuner.

Cependant, le réseau en mode par défaut s’arrête lorsque l’on nous demande de faire une tâche spécifique, telle que le calcul mental.

Dans ses travaux précédents, le professeur Parvizi et ses collègues ont été les premiers à utiliser l’enregistrement électrique direct pour confirmer ces caractéristiques uniques du réseau en mode par défaut.

Dans cette nouvelle étude, l’équipe était capable de prendre des mesures de l’activité électrique dans le réseau par défaut lorsque les sujets étaient éveillés et exécutaient des tâches, et aussi quand ils se reposaient les yeux fermés et quand ils dormaient.

Ils ont trouvé des modèles d'activité lente et dérivant, cachés dans le bruit produit par le cerveau lorsque celui-ci était endormi ou au repos, et correspondaient directement aux modèles produits lorsque les sujets devaient récupérer des souvenirs spécifiques.

Pour confirmer que ces schémas reflètent ceux observés dans les études d'imagerie, l'équipe a ensuite effectué des examens IRMf sur les mêmes sujets et a constaté que les schémas d'activité électrique étaient étroitement alignés sur les schémas de flux sanguin des images IRMf.

Pourquoi le cerveau est si actif pendant le sommeil et reste un mystère

Les auteurs disent que si leurs résultats résolvent une question - que les études d'imagerie étaient correctes en suggérant que les schémas de repos et de récupération de mémoire étaient les mêmes - ils soulèvent une autre question: pourquoi notre cerveau passe-t-il autant de temps et d'énergie sur cette activité?

L'équipe suggère que le cerveau se contente de se préparer pour une action future - en vérifiant l'état de ses relations internes et de ses réseaux pour qu'il soit prêt au réveil.

Pour souligner ce point, le professeur Parvizi dit que nous devrions faire attention à la comparaison du cerveau avec les ordinateurs - simplement parce que nous l'appelons une organisation de réseau, cela ne signifie pas que c'est un réseau au sens informatique. Il ajoute:

"Le cerveau est beaucoup plus qu'un tas de uns et de zéros."

Les fonds pour cette étude proviennent du programme NeuroVentures de Stanford, de l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux, de la National Science Foundation et de l’Institut national de la santé mentale.

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