L'équilibre neuronal dans le cerveau est associé à la maturité cérébrale et à une meilleure capacité cognitive, selon une étude

Dans un monde où les stimuli externes et internes peuvent déséquilibrer l’ensemble de notre corps, comment notre cerveau empêche-t-il d’être trop stimulé ?

La réponse réside dans la capacité de notre cerveau à maintenir l’équilibre entre l’excitation neuronale (E) et l’inhibition (I), connu sous le nom de rapport E/I. En régulant le rapport E/I, le cerveau évite la surstimulation et la sous-stimulation.

Le rapport E/I des enfants diminue avec un développement sain. Selon des études menées par des chercheurs du Centre pour le sommeil et la cognition de l'École de médecine Yong Loo Lin (NUS Medicine), les enfants ayant un rapport E/I plus faible ont de meilleures performances que leurs pairs dans les tests cognitifs tels que la mémoire et l'intelligence. .

Dans le but d'établir des liens significatifs entre le rapport E/I et la maturation cérébrale, l'équipe d'étude, dirigée par un doctorant de quatrième année. l'étudiant Zhang Shaoshi, le professeur agrégé Thomas Yeo du Center for Sleep and Cognition de NUS Medicine, le professeur adjoint Bart Larsen de l'Université du Minnesota et le professeur agrégé Theodore Satterthwaite de l'Université de Pennsylvanie, ont examiné comment le rapport E/I change chez les jeunes, en étudiant les IRM cérébrales de 885 enfants, adolescents et jeunes adultes des États-Unis d'Amérique et de 154 enfants de Singapour.

Le rapport E/I est un aspect qui change et se développe continuellement tout au long de l’enfance et de l’adolescence. La cohorte de données singapourienne a été obtenue auprès de GUSTO, l'étude de cohorte de naissance la plus vaste et la plus complète de Singapour qui vise à aider la prochaine génération à devenir en meilleure santé.

Décrite comme le Yin et le Yang du cerveau, les chercheurs ont découvert qu'une excitation excessive ou une inhibition excessive peut être nocive, entraînant un risque plus élevé de développer des troubles cérébraux, tels que l'autisme, la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie.

Dans des situations moins graves, une personne trop excitée pourrait trop réfléchir dans des situations sociales, entraînant de l’anxiété. En effet, un médicament courant pour réduire les symptômes d’anxiété est le Xanax, qui augmente l’inhibition neuronale, réduisant ainsi l’excitation neuronale. Dans des scénarios plus graves, une surexcitation peut provoquer une crise d’épilepsie.

À l’opposé du spectre, une inhibition excessive indique une absence d’activité cérébrale, mettant effectivement la personne dans un état végétatif. Par conséquent, l’inhibition est nécessaire pour équilibrer l’excitation. Dans l’ensemble, un rapport E/I équilibré est important pour le bon fonctionnement du cerveau.

Malgré l'importance de l'E/I pour la santé du cerveau, il est difficile de mesurer son rapport dans le cerveau humain sans recourir à des techniques invasives. Par conséquent, l’équipe a développé une technique combinant l’intelligence artificielle et la modélisation biophysique pour déduire les rapports E/I à partir d’analyses IRM non invasives et non radioactives. L’équipe a démontré la validité de leurs ratios E/I estimés grâce à une expérience au cours de laquelle les participants ont ingéré des médicaments anti-anxiété (Xanax) ou un placebo.

L'hypothèse de l'équipe est qu'une fois le Xanax ingéré, l'inhibition augmentera, de sorte que le rapport E/I global diminuera. Pour tester cette hypothèse, l’équipe de recherche a scanné des individus en bonne santé à deux reprises. Un participant reçoit du Xanax avant une séance d'IRM et un placebo lors d'une autre séance d'IRM. Pour certains participants, Xanax peut être administré lors de la première séance, tandis que pour d'autres, Xanax peut être administré lors de la deuxième séance.

Toutes les parties impliquées dans cette expérience ne savaient pas si une séance d'IRM impliquait le placebo ou le médicament anti-anxiété. L’équipe a découvert que les marqueurs estimés du rapport E/I étaient en effet plus faibles après que les participants avaient ingéré du Xanax, par rapport au placebo, validant ainsi leur technique.

L’équipe d’étude a ensuite utilisé l’IRM cérébrale pour étudier le développement du cerveau sur un large échantillon de plus de 1 000 enfants, adolescents et jeunes adultes de Singapour et des États-Unis d’Amérique. Ils découvrent que les ratios E/I diminuent avec un développement sain.

Ensuite, pour établir le lien entre les ratios E/I et la fonction cognitive, l’équipe a divisé les participants, âgés de 7 à 23 ans, en groupes à hautes et faibles performances en fonction de leurs scores à certains tests cognitifs. Ils ont constaté que les groupes les plus performants avaient des ratios E/I inférieurs à ceux de leurs pairs du même âge, ce qui suggère que les capacités cognitives s'améliorent à mesure que le ratio E/I mûrit au cours du développement.

Au-delà de leur étude sur le neurodéveloppement, l’équipe souhaite appliquer son approche pour acquérir des connaissances mécanistes sur divers troubles cérébraux, en étudiant comment le rapport E/I diffère entre les participants en bonne santé et les patients aux prises avec des troubles mentaux. L'équipe vise également à étudier comment le rapport E/I évolue avec l'âge, afin de mieux comprendre les troubles neurodégénératifs, tels que la maladie d'Alzheimer.

Assoc Prof Yeo, qui est également du NUS College of Design and Engineering et chercheur principal de cette étude, ajoute : « Nos résultats améliorent notre compréhension du développement cérébral et mettent en évidence des pistes potentielles pour comprendre l'émergence de la psychopathologie chez les jeunes.

« Espérons que ces résultats nous amèneront à déterminer quels circuits cérébraux sont facilement surexcités ou surinhibés, ou à identifier certaines régions cérébrales anormales spécifiques à un patient individuel. Cela pourrait éclairer davantage la façon dont les médicaments ou la stimulation cérébrale peuvent être personnalisés. selon les individus, cela façonnerait le traitement des troubles cérébraux à long terme.

Cette étude est publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences intitulé « Le marqueur in vivo du cortex entier du rapport excitation-inhibition indexe la maturation corticale et la capacité cognitive chez les jeunes. »