Un paradigme centenaire a été bouleversé – la forme du cerveau compte plus que la connectivité neuronale

Les chercheurs ont découvert que la forme du cerveau d’une personne influence grandement la pensée, les sentiments et le comportement, bouleversant l’accent qui prévaut sur la communication neuronale complexe. À l’aide d’IRM et du principe d’autocodage, ils ont découvert que la fonction cérébrale est intimement liée à ses propriétés géométriques, tout comme la façon dont la forme d’un instrument de musique détermine son son, offrant de nouvelles voies pour sonder la fonction cérébrale et la maladie.

La forme de notre cerveau plutôt que les interactions entre différentes régions joue un rôle central en influençant nos pensées, nos émotions et nos actions.

Depuis plus de cent ans, les scientifiques pensent que nos pensées, nos sentiments et nos rêves sont façonnés par la façon dont différentes régions du cerveau interagissent à travers un vaste réseau de billions de connexions cellulaires.

Cependant, une étude récente menée par l’équipe du Turner Institute for Brain and Mental Health de l’Université Monash a examiné plus de 10 000 cartes distinctes de l’activité cérébrale humaine et a découvert que la forme générale du cerveau d’un individu a plus d’influence sur les processus cognitifs, les émotions et le comportement que la connectivité neuronale complexe.

L’étude, récemment publiée dans la prestigieuse revue, nature Il rassemble des approches de la physique, des neurosciences et de la psychologie pour renverser le paradigme centenaire qui souligne l’importance de la connectivité cérébrale complexe, et identifie à la place la relation auparavant sous-estimée entre la forme et l’activité du cerveau.

L’auteur principal et chercheur, le Dr James Bang, du Turner Institute et de la School of Psychological Sciences de l’Université Monash, a déclaré que les résultats étaient importants car ils simplifiaient considérablement la façon dont nous pouvons étudier le fonctionnement, le développement et le vieillissement du cerveau.

Alex Fornetto (à gauche) et James Pang ont étudié plus de 10 000 images IRM pour déterminer la forme importante du cerveau. Crédit : Université Monash

« Le travail ouvre des opportunités pour comprendre les effets de maladies telles que la démence et les accidents vasculaires cérébraux en examinant des modèles de forme du cerveau, avec lesquels il est beaucoup plus facile de travailler que des modèles de l’ensemble des connexions dans le cerveau », a déclaré le Dr Pang.

« Nous pensons depuis longtemps que certaines pensées ou sensations déclenchent une activité dans des parties spécifiques du cerveau, mais cette étude révèle que des schémas d’activité organisés sont stimulés dans presque tout le cerveau, un peu comme la façon dont une note de musique provient de vibrations qui se produisent sur toute la longueur d’une corde de violon, plutôt que sur une partie isolée », a-t-il déclaré.

L’équipe de recherche a utilisé l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour étudier les modes propres, qui sont les modèles naturels de vibration ou d’excitation dans un système, dans lesquels différentes parties du système sont excitées à la même fréquence. Les automodules sont généralement utilisés pour étudier des systèmes physiques dans des domaines tels que la physique et l’ingénierie, et n’ont été adaptés que récemment pour étudier le cerveau.

Ce travail s’est concentré sur le développement de la meilleure façon de construire efficacement des modes propres pour le cerveau.

Le co-auteur, le Dr Kevin Aquino, de BrainKey et de l’Université de Sydney, a déclaré : « Tout comme les fréquences de résonance d’une corde de violon sont déterminées par sa longueur, son intensité et sa tension, les modes propres du cerveau sont déterminés par ses propriétés structurelles – physiques, géométriques et anatomiques -, mais les propriétés spécifiques les plus importantes sont restées un mystère ».

L’équipe, dirigée par le professeur Alex Fornetto, membre de l’Institut Turner et de l’ARC School of Psychological Science, a comparé comment les profils subjectifs obtenus à partir de modèles de forme cérébrale peuvent expliquer différents modèles d’activité par rapport aux profils subjectifs obtenus à partir de modèles de connectivité cérébrale.

« Nous avons constaté que les modes propres définis par la géométrie du cerveau – leurs contours et leur courbure – représentent la contrainte anatomique la plus forte sur la fonction cérébrale, tout comme la forme d’un cylindre affecte les sons qu’il peut émettre », a déclaré le professeur Fornetto.

« En utilisant des modèles mathématiques, nous avons confirmé les prédictions théoriques selon lesquelles le lien étroit entre la géométrie et la fonction est entraîné par une activité ondulatoire se propageant dans tout le cerveau, tout comme la forme d’un étang affecte les ondulations des vagues formées par la chute d’un caillou », a-t-il déclaré.

« Ces découvertes soulèvent la possibilité de prédire la fonction cérébrale directement à partir de sa forme, ouvrant de nouvelles voies pour explorer comment le cerveau contribue aux différences individuelles de comportement et de risque de maladies psychiatriques et neurologiques. »

L’équipe de recherche a découvert que sur plus de 10 000 cartes d’activité IRM, obtenues pendant que les sujets effectuaient diverses tâches développées par des neuroscientifiques pour explorer le cerveau humain, l’activité était dominée par des modèles subjectifs avec des modèles spatiaux qui avaient de très longues longueurs d’onde, s’étendant sur des distances supérieures à 40 millimètres.

« Cette découverte va à l’encontre de la sagesse conventionnelle, selon laquelle l’activité au cours de diverses tâches est souvent supposée se produire dans des régions focales et isolées d’activité élevée, et nous indique que les méthodes traditionnelles de cartographie du cerveau ne peuvent montrer que la pointe de l’iceberg lorsqu’il s’agit de comprendre le fonctionnement du cerveau », a déclaré le Dr Pang.

Référence : « Engineering Limitations on Human Brain Functions » par James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marian Oldenkel, Peter A. Robinson, Ben de Fulcher, Michael Breakspeare, Alex Fornetto, 31 mai 2023, disponible ici. nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-06098-1