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Les oscillations électriques que nous appelons ondes cérébrales ont intrigué les scientifiques et le public pendant plus d’un siècle. Mais leur fonction – et même si elles en ont une, plutôt que de simplement refléter l’activité cérébrale comme le bourdonnement d’un moteur – est encore débattue. Beaucoup de neuroscientifiques ont supposé que si les ondes cérébrales font quelque chose, c’est en oscillant en synchronie à différents endroits. Pourtant, un nombre croissant de recherches suggère que de nombreuses ondes cérébrales sont en réalité des «ondes qui voyagent» physiquement à travers le cerveau comme des vagues sur la mer.

Les ondes voyageuses sont répandues dans le cortex humain

Maintenant une nouvelle étude d’une équipe de l’Université de Columbia dirigée par le neuroscientifique Joshua Jacobs, suggère que les ondes voyageuses sont répandues dans le cortex humain – le siège des fonctions cognitives supérieures – et qu’elles deviennent plus organisées en fonction de la performance du cerveau. Cela démontre que les ondes sont pertinentes pour le comportement, renforçant les recherches antérieures suggérant qu’elles sont un mécanisme cérébral important mais longtemps négligé, qui contribue à la mémoire, la perception, l’attention et même la conscience.

Les ondes cérébrales ont d’abord été découvertes en utilisant des techniques d’électroencéphalogramme (EEG), qui impliquent de placer des électrodes sur le cuir chevelu d’une personne. Les chercheurs ont noté une activité sur une gamme de fréquences différentes, allant du delta (0,5 à 4 hertz) aux ondes gamma (25 à 140 Hz). Les plus lents se produisent pendant le sommeil profond, avec une fréquence croissante associée à des niveaux croissants de conscience et de concentration. Interpréter les données EEG est difficile en raison de sa faible capacité à localiser l’emplacement de l’activité, et le fait que le passage à travers la tête brouille les signaux. Cette nouvelle étude, publiée plus tôt ce mois-ci dans Neuron, a utilisé une technique plus récente appelée électro-corticographie (ECoG). Cela implique de placer les réseaux d’électrodes directement sur la surface du cerveau, en minimisant les distorsions et en améliorant considérablement la résolution spatiale.

De nombreuses hypothèses

Les scientifiques ont proposé de nombreux rôles pour les ondes cérébrales. Une hypothèse de premier plan soutient que les oscillations synchrones servent à «lier» des informations dans différents endroits comme appartenant à la même «chose», comme les différentes caractéristiques d’un objet visuel (forme, couleur, mouvement, etc.). Une idée connexe est qu’ils facilitent le transfert d’informations entre les régions. Mais de telles hypothèses exigeraient que les ondes cérébrales soient synchrones, produisant des ondes «debout» (analogues à deux personnes balançant une corde à sauter) plutôt que des ondes ambiantes (comme dans une foule faisant «la vague» lors d’un événement sportif). Ceci est important car les ondes progressives ont des propriétés différentes qui pourraient, par exemple, représenter des informations sur les états passés d’autres localisations cérébrales. Le fait qu’elles se propagent physiquement à travers le cerveau comme le son dans l’air, en fait un mécanisme potentiel pour déplacer l’information d’un endroit à un autre.

Elles semblaient peu importantes

Ces idées ont été populaires pendant des décennies (pdf), mais la majorité des neuroscientifiques s’étaient peu intéressés par ces idées. Une des raisons qui pourrait expliquer ce comportement, est que jusqu’à récemment, la plupart des rapports précédents de vagues itinérantes – bien qu’il y ait des exceptions – ont simplement décrit les vagues sans établir leur signification. « Si vous demandez aux neuroscientifiques des systèmes moyens, ils diront que c’est un épiphénomène (comme le bourdonnement d’un moteur) », explique le neuroscientifique Terry Sejnowski de l’Institut Salk pour les études biologiques qui n’a pas participé à la nouvelle étude. « Et comme elles n’ont jamais été directement connectées à un comportement ou une fonction, ce n’était pas quelque chose d’important. »

Les outils que les chercheurs utilisaient peuvent également avoir joué un rôle. La neuroscience grand public d’aujourd’hui a ses racines dans l’étude du comportement des neurones, un à la fois, en utilisant des microélectrodes à l’aiguille. Les chercheurs pionniers dans ce domaine ont remarqué le moment où un neurone a varié d’un essai d’une expérience à l’autre. Ils ont conclu que ce timing ne devait pas être important et ont commencé à combiner les réponses de plusieurs essais pour produire un «taux d’allumage» moyen.

Ceci est devenu la méthode standard pour quantifier l’activité neuronale, mais la variabilité pouvait résulter des cycles d’oscillation des neurones. « Le cadre conceptuel est né de ce qu’un seul neurone faisait par lui-même », explique Sejnowski, mais « le cerveau fonctionne à travers les populations de neurones interagissant les uns avec les autres. » Parce que les ondes de déplacement, elles comprennent l’activité de nombreux neurones qui sont invisibles aux techniques standard. Mais au cours de la dernière décennie, de nouvelles technologies sont apparues qui permettaient de surveiller de nombreux neurones simultanément. « Cela nous a donné une image très différente », explique Sejnowski. « Pour la première fois, nous avions les outils et les techniques nécessaires pour voir ce qui se passe réellement, mais il faudra attendre une génération avant que cela soit accepté par la communauté des neurosciences. »

Rechercher des oscillations à la même fréquence

Les méthodes optiques, comme les colorants sensibles à la tension, permettent aux chercheurs de visualiser les changements électriques dans des milliers de neurones simultanément, mais ne peuvent pas être utilisées chez les humains en raison des risques qu’ils posent. L’ECoG cependant, est couramment utilisé chez les patients atteints d’épilepsie pour étudier les crises. Ainsi, les chercheurs à l’origine de cette nouvelle étude ont recruté 77 patients atteints d’épilepsie avec des puces ECoG implantées et sont partis à la recherche d’ondes progressives ou voyageuses. Ils ont d’abord recherché des amas d’électrodes présentant des oscillations à la même fréquence. Près de deux tiers de toutes les électrodes faisaient partie de ces groupes, qui étaient présents dans 96 pour cent des patients (à des fréquences de 2 à 15 Hz, couvrant la bande thêta à 4-8 Hz et la bande alpha à 8-12 Hz).

Les chercheurs ont ensuite évalué quels groupes représentaient des ondes de déplacement de bonne foi en analysant le moment des oscillations. Si des oscillations consécutives faisaient partie d’une onde progressive, chacune serait légèrement retardée ou avancée, selon la direction du déplacement. (Pensez à la façon dont les gens dans l’onde d’une foule se suivent avec un léger retard.) Les deux tiers des amas détectés étaient des ondes qui se déplaçaient de l’arrière vers l’avant du cortex. Celles-ci étaient impliquées par près de la moitié de toutes les électrodes et se sont produits dans tous les lobes et les deux hémisphères du cerveau des patients.

De nouvelles interfaces cerveau-ordinateur

L’équipe a ensuite donné aux participants une tâche de travail qui devait être mémorisée, et a trouvé que les ondes de déplacement dans leurs lobes frontaux et temporaux étaient mieux organisées une demi-seconde après que les gens aient été invités à se rappeler des informations. Les vagues ont changé leurs déplacements dans diverses directions, la plupart du temps en mouvement de concert. Fait important, la mesure dans laquelle ils l’ont fait variait avec la rapidité avec laquelle les participants ont répondu. « Les vagues plus cohérentes correspondaient à une meilleure performance de la tâche », explique Jacobs. «Cela suggère une nouvelle façon de mesurer l’activité cérébrale pour comprendre la cognition, ce qui peut peut-être donner lieu à de nouvelles interfaces cerveau-ordinateur améliorées.» (Les BCI sont des dispositifs qui connectent un cerveau humain à une machine qui effectue une tâche. membre.)

Ces résultats devraient aider à dissiper les doutes persistants de certains chercheurs quant à l’importance de telles ondes. « L’article est une contribution importante à l’étude des ondes corticales, ajoutant aux travaux antérieurs sur leur rôle dans la cognition humaine », explique le psychologue David Alexander de l’Université de Louvain en Belgique qui n’a pas pris part au travail. « Cela va vraiment mettre fin à toutes les inquiétudes que les ondes sont un artefact de brouillage du signal qui traverse le crâne. » Il explique également que les auteurs ont fait des affirmations injustifiées sur la nouveauté des résultats et ne reconnaissent pas certaines recherches antérieures.

Cependant « Les travaux antérieurs sur les ondes progressives ont démontré qu’elles étaient présentes pendant les tâches de mémoire de travail », indique-t-il, en indiquant une étude EEG de 2002 qui a trouvé le moment d’une inversion dans la direction des ondes thêta. Fait intéressant, une étude d’EEG publiée par Alexander lui-même en 2008 a révélé que moins de vagues se déplaçaient de l’avant vers l’arrière pendant une tâche de mémoire chez les personnes ayant présenté leur premier épisode de schizophrénie, suggérant des différences que le comportement peut être lié à des symptômes psychiatriques.

Des méthodes confirmant l’importance des ondes de déplacement

Il affirme également que les méthodes utilisées par l’équipe pour évaluer les ondes de déplacement sont similaires à celles qu’il a utilisées dans une étude de 2016. « Le travail d’Alexander est vraiment intéressant, mais il n’est pas clair que ses conclusions impliquent les mêmes signaux que notre étude », note Jacobs. « Il a rapporté des modèles qui impliquaient littéralement l’ensemble du cerveau alors que nos résultats étaient limités à des régions particulières. » Jacobs souligne également les différences dans les techniques d’enregistrement et la nature des signaux enregistrés.

Confirmant l’importance des ondes de déplacement crée de nouveaux horizons en neurosciences. « Cette découverte d’une gamme aussi large d’oscillations sont des ondes progressives qui montrent qu’elles impliquent une activité de coordination entre les différentes régions du cerveau », explique Jacobs. « Cela ouvre de nouveaux domaines clés de recherche, tels que comprendre en quoi consiste exactement cette coordination. » Il pense que les ondes propagent l’information, au moins dans le contexte de la présente étude.

Une autre idée soutient que les ondes en se déplaçant à plusieurs reprises à travers des plaques de cortex, modulent la sensibilité des neurones de manière à balayer un « projecteur » d’attention à travers la zone de traitement visuel du cerveau. « Ce concept d’une onde progressive est étroitement lié à la question de savoir comment maintenir le cortex dans un endroit où il est le plus sensible aux autres facteurs de production et capable de fonctionner de façon optimale », explique M. Sejnowski.

Une transformation d’un cadre conceptuel 

L’intérêt pour les vagues voyageuses continuera sans aucun doute à alimenter les débats. « Ce que vous voyez en ce moment est une transformation d’un cadre conceptuel à un cadre complètement nouveau », ajoute-t-il. « C’est un changement de paradigme, qui s’il s’avère facilement reproductible, modifiera notre compréhension de la cognition. »

Source : Scientific American