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lundi, 24 février 2014
L’expansion disproportionnée du cortex associatif humain

En quelques millions d’années l’évolution humaine a vu naître la fabrication d’outils, le langage, les représentations symboliques et artistiques, les structures sociales complexes, et j’en passe. Rien de tel ne s’est produit durant une période comparable du côté de l’évolution de nos cousins chimpanzés et bonobos. Comment ces changements cognitifs spectaculaires ont-ils pu évoluer si rapidement chez l’humain ?

Une grande part de l’explication réside dans l’expansion cérébrale qui nous sépare des grands singes. Notre cerveau est environ trois fois plus volumineux que celui du chimpanzé, pour une taille corporelle comparable. Il est environ 5 fois plus gros que ce qu’on devrait s’attendre pour un mammifère de notre taille.

Or cette expansion cérébrale ne se fait pas uniformément. Certaines régions du cerveau voient leur volume croître de façon disproportionnée par rapport à d’autres : c’est le cas du cortex chez les mammifères. Cette partie du cerveau, la plus récente évolutivement parlant, comporte des zones sensorielles dites « primaires » qui analysent ce qui parvient à notre cerveau par nos cinq sens. Et des zones motrices qui commandent à nos mouvements volontaires. Elle contient aussi des zones dites « associatives » définies essentiellement par défaut comme n’étant ni sensorielles ni motrices. Ce sont ces aires associatives, distribuées dans les lobes frontaux, pariétaux et temporaux, qui subissent une expansion disproportionnées chez l’humain. Elles sont une trentaine de fois plus étendues chez nous que chez le singe macaque, par exemple.

Deux petites rectifications à faire au passage ici. D’abord que ce n’est donc pas seulement le cortex préfrontal qui a été l’épicentre de l’expansion corticale chez les hominidés, comme on l’a longtemps cru, mais les régions associatives du cortex pariétal et temporal également. D’autre part, comme on le rappelait dans un billet antérieur sur ce blogue, le cerveau humain a connu une légère diminution globale de son volume depuis environ 20 000 ans.

Maintenant, comment un plus gros cerveau pourrait-il permettre le développement de fonctions cognitives complexes ? Sans doute par le nombre de neurones accru qu’il rend possible et la combinatoire plus grande des connexions qui l’accompagne.

Mais une étude publiée dans la revue Trends in Cognitive Sciences en novembre dernier par Randy Buckner et Fenna Krienen attire l’attention sur un autre phénomène : le passage d’une organisation des circuits cérébraux à prédominance sensori-motrice chez nos ancêtres mammifères vers une organisation typique du cortex associatif chez l’humain.

Les études d’imagerie cérébrale explorant la connectivité fonctionnelle du cerveau montrent en effet que ces régions associatives sont très peu connectées aux régions sensorielles et motrices tout en entretenant de nombreuses connexions entre elles. On observe aussi une tendance des aires associatives à avoir des connexions distantes plutôt que locales comme c’est le cas dans les aires sensorimotrices.

L’hypothèse de Buckner et Krienen, que l’on ne peut détailler ici mais qui sera présentée demain au CRISCO (voir le dernier lien ci-bas), est que l’expansion rapide du cortex chez l’humain aurait eu pour effet de détacher de larges portions de ce cortex associatif des hiérarchies sensorielles primaires.

De sorte que l’espace entre ces hiérarchies sensorielles primaires dans le cortex humain est maintenant constitué de réseaux associatifs richement interconnectées dont l’activité pourrait correspondre au genre d’habiletés mentales où l’humain est très performant. Par exemple, se souvenir, imaginer le futur, porter des jugements sociaux, et tout autre processus cognitif dit « de haut niveau » qui manipule des représentations dans notre mémoire de travail.

Fait intéressant, les expériences d’imagerie cérébrale ont maintes fois mis en évidence pour des tâches de mémorisation et d’imagination du futur l’implication d’un réseau à grande échelle impliquant très largement ces zones associatives corticales, réseau qui est connu sous l’expression de « réseau du mode par défaut ».

De plus, ces circuits associatifs viennent à maturité tardivement durant le développement et sont pour cette raison plus dépendants d’influences environnementales durant l’enfance, ce qui leur confère des capacités plastiques accrues.

Bref, les auteurs pensent que nos aires corticales associatives permettraient au fond d’insérer entre les aires sensori-motrices un réseau suffisamment riche et souple pour permettre la réflexion, la prise de décision complexe et la créativité spécifiquement humaines.

How our advanced capabilities may have come from separation of our primary brain areas
The evolution of distributed association networks in the human brain
CRISCo – The evolution of distributed association networks in the human brain