De rares enregistrements préopératoires et postopératoires montrent ce qui se passe après la perte d'un hub du cerveau

Une équipe de neuroscientifiques internationaux dirigée par l'Université de l'Iowa a obtenu les premiers enregistrements directs du cerveau humain dans les minutes précédant et suivant la déconnexion chirurgicale d'un centre cérébral crucial pour la signification du langage. Les résultats révèlent l’importance des pôles cérébraux dans les réseaux neuronaux et la manière remarquable dont le cerveau humain tente de compenser la perte d’un pôle, avec une immédiateté jamais observée auparavant.

Les hubs sont partout. Le moyeu d'une roue de vélo, avec des rayons sortant du centre, empêche la roue de s'effondrer lorsque le vélo est utilisé. Les hubs aéroportuaires relient les villes du monde entier. Et les centres sociaux comme les cafés ou les réseaux sociaux en ligne sont des lieux de rassemblement pour interagir.

Le cerveau humain possède également des centres, l'intersection de nombreuses voies neuronales qui aident à coordonner l'activité cérébrale nécessaire à des fonctions complexes telles que la compréhension et la réponse à la parole. Cependant, la question de savoir si les centres cérébraux hautement interconnectés sont irremplaçables pour certaines fonctions cérébrales est controversée.

Selon certains témoignages, le cerveau, en tant que réseau neuronal déjà hautement interconnecté, peut en principe compenser immédiatement la perte d'un hub, de la même manière que le trafic peut être redirigé autour d'un centre-ville bloqué.

Grâce à une opportunité expérimentale rare, les équipes de neurochirurgie et de recherche sur l'UI dirigées par Matthew Howard III, MD, professeur et DEO de neurochirurgie, et Christopher Petkov, Ph.D., professeur et vice-président de la recherche en neurochirurgie, ont réalisé une percée dans la compréhension la nécessité d'un hub unique.

En obtenant des preuves de ce qui se passe lorsqu'un hub nécessaire au sens du langage est perdu, les chercheurs ont montré à la fois l'importance intrinsèque du hub ainsi que la capacité remarquable et rapide du cerveau à s'adapter et à tenter au moins partiellement de compenser immédiatement sa perte. . Les résultats ont été rapportés récemment dans la revue Communications naturelles.

Évaluer l'impact de la perte d'un centre cérébral

L'étude a été menée lors du traitement chirurgical de deux patients épileptiques. Les deux patients subissaient des procédures nécessitant l'ablation chirurgicale du lobe temporal antérieur – une plaque tournante cérébrale pour la signification du langage – afin de permettre aux neurochirurgiens d'accéder à une zone cérébrale plus profonde provoquant des crises d'épilepsie débilitantes chez les patients.

Avant ce type de chirurgie, les équipes de neurochirurgie demandent souvent aux patients d'effectuer des tâches d'orthophonie dans la salle d'opération, car l'équipe utilise des électrodes implantées pour enregistrer l'activité des parties du cerveau proches et éloignées de la zone chirurgicale prévue. Ces enregistrements aident l'équipe clinique à traiter efficacement les crises tout en limitant l'impact de la chirurgie sur les capacités d'élocution et de langage du patient.

Généralement, les électrodes d'enregistrement ne sont pas nécessaires après la procédure de résection chirurgicale et sont retirées. L’innovation de cette étude réside dans le fait que l’équipe de neurochirurgie a pu terminer la procédure en toute sécurité avec les électrodes d’enregistrement laissées en place ou remplacées au même endroit après la procédure.

Cela a permis d'obtenir de rares enregistrements pré- et postopératoires permettant aux chercheurs d'évaluer les signaux provenant de zones cérébrales éloignées du hub, y compris des zones de parole et de langage éloignées du site chirurgical. L'analyse du changement dans les réponses aux sons de la parole avant et après la perte du hub a révélé une perturbation rapide de la signalisation et une compensation partielle ultérieure du réseau cérébral plus large.

“L'impact rapide sur les régions de traitement de la parole et du langage bien éloignées du site de traitement chirurgical était surprenant, mais ce qui était encore plus surprenant était la façon dont le cerveau travaillait pour compenser, bien que de manière incomplète dans ce court laps de temps”, explique Petkov, qui détient également un rendez-vous à la faculté de médecine de l'université de Newcastle au Royaume-Uni.

Les résultats réfutent les théories contestant la nécessité de centres cérébraux spécifiques en montrant que le centre était important pour maintenir le traitement cérébral normal du langage.

“Le traitement neurochirurgical et les nouvelles technologies continuent d'améliorer les options de traitement proposées aux patients”, explique Howard, qui est également membre de l'Iowa Neuroscience Institute. “Des recherches comme celle-ci soulignent l'importance d'obtenir et de comparer en toute sécurité des enregistrements électriques avant et après l'opération, en particulier lorsqu'un centre cérébral pourrait être affecté.”

Selon les chercheurs, l'observation de la nature de l'impact immédiat sur un réseau neuronal et sa tentative rapide de compensation fournit des preuves à l'appui d'une théorie du cerveau proposée par le professeur Karl Friston de l'University College de Londres, qui postule que tout système auto-organisé à l'équilibre travaille à l'ordre en minimisant son énergie libre, une résistance à la tendance universelle au désordre.

Ces résultats neurobiologiques suite à la déconnexion du centre du cerveau humain étaient cohérents avec plusieurs prédictions de cette théorie et des théories neurobiologiques associées, montrant comment le cerveau fonctionne pour tenter de retrouver l'ordre après la perte de l'un de ses centres.

Outre Petkov et Howard, l'équipe de recherche comprenait des chercheurs des départements de neurochirurgie, de radiologie et de sciences psychologiques et cérébrales de l'UI, ainsi que des collègues de l'Université de Newcastle, de l'UCL et de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, et de l'Université Carnegie Mellon. , Université du Wisconsin-Madison et Université Gonzaga aux États-Unis.