mardi, 3 décembre 2019
Cartographier des réseaux de milliards de neurones à l’échelle du cerveau entier
Avec la cinquième séance du cours «Notre cerveau à tous les niveaux» qui aura lieu mercredi le 11 décembre prochain, on boucle déjà la première moitié de cette aventure qui se poursuivra après les Fêtes avec cinq autres séances, toujours en collaboration avec l’UPop Montréal et le café Les Oubliettes. Comme je l’ai fait depuis le début de ce cours, je publie cette semaine un premier billet pour soulever quelques questions générales reliées à cette séance intitulée « Cartographier des réseaux de milliards de neurones à l’échelle du cerveau entier ».
Pour ceux et celles qui auraient manqué les premiers épisodes, je vous résume en une phrase chacun les quatre premier de cette série dont Netflix ne m’a pas encore demandé les droits, on se demande bien pourquoi… 😉 Cette histoire « dont vous êtes le héros ou l’héroïne » avait donc débuté par une question digne d’un enfant de sept ans, et donc d’une grande difficulté : que pouvons-nous connaître ? Et après vous avoir convaincu que cela dépendait du type de système nerveux et de corps que vous aviez, on était parti à la recherche des origines de ceux-ci. Une quête épique qui nous avait mené jusqu’au moment où, il y a un peu plus d’un siècle, des humains avaient commencé à déchiffrer la grammaire de base de la communication neuronale. Il n’en fallait pas plus pour que, une fois entré en scène, ce neurone se connecte à un autre, puis à quelques autres, et rapidement à des milliers et des millions d’autres formant autant d’architectures neuronales complexes qu’il y a de structures cérébrales différenciées dans notre cerveau.
Et nous voilà donc rendu au début de ce cinquième épisode, nous demandant si cette histoire déjà passablement emberlificotée pourra encore se complexifier davantage. Eh bien la réponse est oui ! Comment ? En considérant maintenant les interactions de toutes ces structures cérébrales dans leur ensemble et en présentant différentes façons de cartographier ces milliards de neurones ! Et ce faisant, je serais l’homme le plus heureux du monde si je réussissais à vous faire passer d’une conception du cerveau comme un organe constitué d’aires bien délimitées correspondant à des fonctions précises (conception qui prévaut encore dans bien des manuels scolaires avec de belles couleurs pour chaque région), de vous faire passer, donc, de cette conception traditionnelle à une conception plus contemporaine où notre cerveau, en plus d’être extrêmement plastique comme on l’a vu la semaine dernière, manifeste une relation structure-fonction complexe impliquant d’innombrables réseaux. En d’autres termes, amener l’idée qu’aucune région cérébrale n’agit jamais seule et ne correspond qu’à une seule fonction.
Voici quelques liens vers des billets de ce blogue qui ont d’ailleurs déjà abordé cette question :
Nous sommes tous un réseau complexe
La collaboration entre différentes régions cérébrales
Des réseaux… à tous les niveaux !
Poursuivons avec une petite parenthèse sur la relation structure-fonction. Déjà dans son livre Problems of Life (1952), le biologiste Ludwig von Bertalanffy attirait l’attention sur le fait qu’il y a une fausse distinction entre structure et fonction. Elle nous vient des machines fabriquées par les humains où les deux sont aisément discernables. Mais dans le vivant, il s’agit simplement de deux échelles de temps différentes. Ce qu’on appelle « fonction » découle par exemple de processus changeants à l’échelle des secondes (l’activité nerveuse qui nous permet de marcher, parler, manger, etc.). Ou encore la plasticité neuronale à la base de tout apprentissage, avec les changements synaptique qui lui sont associés, sont des phénomènes qui se produisent à l’échelle des minutes, des jours ou des semaines. Mais ce qu’on appelle « structure », écrivait Bertalanffy, n’est rien d’autre au fond que des processus également changeants mais sur une échelle de temps beaucoup plus longue (nos membres antérieurs anciennement des nageoires, et devenus des ailes chez d’autres espèces). Autrement dit, la forme des corps des organismes vivants se modifie aussi pour mieux s’adapter, mais sur une échelle de temps de milliers et de millions d’années… Fermer la parenthèse.
On continue en présentant quelques sujets qui seront abordés durant cette cinquième séance. Pour débuter, on décrira quelques premières tentatives de cartes cérébrales, notamment celle de Brodmann qui avait eu la bonne idée d’en délimiter les régions en se basant sur la cytoarchitecture du cortex, c’est-à-dire la densité neuronale, la taille des neurones ou le nombre de couches observées sur des coupes histologiques.
Se repérer sur le cortex grâce aux aires de Brodmann
On poursuivra avec les techniques d’imagerie cérébrale actuelles, d’abord celles qui permettent de visualiser l’anatomie du cerveau, tant sa matière grise (où sont les corps cellulaires des neurones) que sa matière blanche (les faisceaux d’axones myélinisés). Parce qu’il y a tellement de niveaux d’organisation du neurone au cerveau entier comme on l’a vu à date dans ce cours, on verra que les cartographies cérébrales n’ont pas le choix de se concentrer à un seul niveau (micro, méso ou macro). Et qu’il est plus facile d’établir d’abord des cartes de cerveau de souris que d’humains.
Cartographier tous les circuits du cerveau de la souris
Des synapses microscopiques et des microscopes gigantesques
Une représentation 3D à l’échelle du nanomètre du cortex de souris
Premier atlas virtuel en 3D de toutes les cellules du cerveau de souris
Aidez à cartographier nos connexions neuronales
Trois atlas de vrais cerveaux humains accessibles en ligne
On présentera ensuite quelques techniques d’imagerie cérébrale fonctionnelle qui permettent littéralement de voir nos réseaux cérébraux s’activer. Mais le piège ici, avec les belles taches de couleurs fluos qu’on voit circuler dans les grands médias, c’est d’imaginer que seules ces régions sont actives durant telle ou telle tâche. Alors que les spots de couleur que l’on voit constituent une soustraction entre un état d’activité impliquant l’ensemble du cerveau durant une tâche contrôle et la tâche demandée. Sans parler d’autres limites méthodologiques inhérentes au type de mesure que prennent ces appareils que nous évoquerons comme je l’avais fait dans ce blogue par le passé.
Les limites de la cartographie cérébrale
L’imagerie cérébrale sous le feu des critiques
Cerveau dynamique en 3D : splendide mais flou explicatif
Une critique plus générale que l’on détaillera un peu est celle de la tentation d’accoler des étiquettes fonctionnelles trop précises à des régions particulières du cerveau, histoire de ne pas retomber dans une forme de phrénologie moderne.
La « réutilisation neuronale » pour enfin sortir de la phrénologie ?
Nous examinerons en ce sens quelques exemples des limites d’une pensée trop « modulaire » à propos du cerveau, dont la fameuse aire de Broca et celle « de la reconnaissance des mots ».
Après « L’erreur de Descartes », voici « L’erreur de Broca »
Car l’on sait maintenant qu’à tout moment des assemblées de neurones transitoires s’associent pour former des réseaux largement distribués à l’échelle du cerveau entier. Et nous examinerons plus en détail l’un d’eux, le « réseau du mode par défaut », l’une des configurations dans laquelle se retrouve notre cerveau le plus souvent.
Le réseau cérébral du mode par défaut
Qu’est-ce qui détermine « ce qui nous trotte dans la tête » ?
De l’utilité des vacances pour explorer deux grands modes cérébraux
Activités littéraires et du réseau du mode par défaut
Pour terminer, on dira quelques mots sur l’organisation générale de nos réseaux cérébraux et de leur connectivité plus ou moins changeante selon les circonstances.
La lecture d’un roman augmente la connectivité de régions cérébrales
Des prédictions étonnantes basées sur la connectivité cérébrale
Nos réseaux cérébraux s’inscrivent dans un gradient « unimodal – multimodal »
Chaque semaine pendant un an et demi, il prend en photo… son cerveau!
L’hyperscanning montre une synchronisation cérébrale entre les cerveaux de deux locuteurs
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