Un « trafic » plus parallèle observé dans le cerveau humain que chez les animaux

Dans une étude comparant les réseaux de communication du cerveau humain avec ceux des macaques et des souris, des chercheurs de l'EPFL ont découvert que seul le cerveau humain transmettait l'information via de multiples voies parallèles, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives sur l'évolution des mammifères.

Pour décrire les réseaux de communication cérébrale, Alessandra Griffa, chercheuse postdoctorale senior à l’EPFL, aime utiliser des métaphores de voyage. Les signaux cérébraux sont envoyés d'une source à une cible, établissant une voie polysynaptique qui croise plusieurs régions du cerveau « comme une route avec de nombreux arrêts en cours de route ».

Elle explique que des voies structurelles de connectivité cérébrale ont déjà été observées sur la base de réseaux (« routes ») de fibres neuronales. Mais en tant que scientifique au Laboratoire de traitement d'images médicales (MIP:Lab) de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL et coordinateur de recherche au Centre de mémoire Leenaards du CHUV, Griffa souhaitait suivre les modèles de transmission d'informations pour voir comment les messages sont envoyés et reçus.

Dans une étude récemment publiée dans Communications naturelleselle a travaillé avec Dimitri Van de Ville, directeur du MIP:Lab, et Enrico Amico, membre du FNS Ambizione, pour créer des « cartes du trafic cérébral » qui pourraient être comparées entre les humains et d'autres mammifères.

Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé des données de diffusion open source (DWI) et d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) provenant d’humains, de macaques et de souris, recueillies alors que les sujets étaient éveillés et au repos. Les analyses DWI ont permis aux scientifiques de reconstruire les « feuilles de route » du cerveau, et les analyses IRMf leur ont permis de voir différentes régions du cerveau s'éclairer le long de chaque « route », ce qui a indiqué que ces voies relayaient des informations neuronales.

Ils ont analysé les données multimodales de l'IRM à l'aide de la théorie de l'information et des graphes, et Griffa affirme que c'est cette nouvelle combinaison de méthodes qui a donné de nouvelles informations.

“La nouveauté de notre étude est l'utilisation de données multimodales dans un modèle unique combinant deux branches des mathématiques : la théorie des graphes, qui décrit les “feuilles de route” polysynaptiques ; et la théorie de l'information, qui cartographie la transmission d'informations (ou “trafic”) via les routes. … Le principe de base est que les messages transmis d'une source à une cible restent inchangés ou se dégradent encore à chaque arrêt sur la route, comme le jeu téléphonique auquel nous jouions quand nous étions enfants.”

L’approche des chercheurs a révélé que dans les cerveaux non humains, les informations étaient envoyées le long d’une seule « route », alors que chez les humains, il existait plusieurs chemins parallèles entre la même source et la même cible. De plus, ces voies parallèles étaient aussi uniques que les empreintes digitales et pouvaient être utilisées pour identifier des individus.

“Un tel traitement parallèle dans le cerveau humain a fait l'objet d'hypothèses, mais n'a jamais été observé auparavant au niveau du cerveau entier”, résume Griffa.

Aperçus potentiels pour l’évolution et la médecine

Griffa dit que la beauté du modèle des chercheurs réside dans sa simplicité et dans son inspiration de nouvelles perspectives et pistes de recherche en évolution et en neurosciences computationnelles. Par exemple, les résultats peuvent être liés à l’expansion du volume du cerveau humain au fil du temps, ce qui a donné naissance à des modèles de connectivité plus complexes.

“Nous pourrions émettre l'hypothèse que ces flux d'informations parallèles permettent de multiples représentations de la réalité et la capacité d'exécuter des fonctions abstraites spécifiques aux humains.”

Elle ajoute que même si cette hypothèse n'est que spéculative, comme le Communications naturelles L'étude n'impliquait aucun test des capacités informatiques ou cognitives des sujets, ce sont des questions qu'elle aimerait explorer à l'avenir.

“Nous avons étudié la manière dont les informations circulent. Une prochaine étape intéressante serait donc de modéliser des processus plus complexes pour étudier la manière dont les informations sont combinées et traitées dans le cerveau pour créer quelque chose de nouveau.”

En tant que chercheuse en mémoire et cognition, elle s'intéresse particulièrement à l'utilisation du modèle développé dans l'étude pour déterminer si la transmission parallèle d'informations pourrait conférer une résilience aux réseaux cérébraux et potentiellement jouer un rôle dans la neurorééducation après une lésion cérébrale ou dans la prévention du déclin cognitif dans des pathologies. d'un âge avancé.

“Certaines personnes vieillissent en bonne santé, tandis que d'autres connaissent un déclin cognitif. Nous aimerions donc voir s'il existe une relation entre cette différence et la présence de flux d'informations parallèles et si elles pourraient être entraînées à compenser les processus neurodégénératifs.”