lundi, 27 juin 2022
Journal de bord de notre cerveau à tous les niveaux : des rythmes produits mais surtout lus par nos différentes structures cérébrales
Je travaille toujours sur la relecture/réécriture du livre sur le cerveau écrit durant la pandémie et je poursuis donc aujourd’hui ma série de billets sous forme de « journal de bord » de ce processus. Un exercice commencé en janvier dernier dans la foulée du 20e anniversaire du Cerveau à tous les niveaux et qui permet de vous donner une idée de l’avancement du projet. Après donc mon « journal de bord » sur les chapitres un, deux, trois, quatre et cinq, voici celui sur le sixième chapitre qui porte sur les rythmes cérébraux.
Ce qui est particulièrement dommage avec les rythmes et les oscillations cérébrales, c’est que les textbooks sur les neurosciences pour les jeunes au collège et même à l’université ne les abordent que très superficiellement, alors que c’est là que bien des phénomènes commencent à s’éclaircir. En tout cas c’est ce que je ressens à chaque fois que je me plonge dans ce champ de recherche. Juste quelques exemples avant d’arriver au point dont je veux vous parler aujourd’hui.
D’abord celui des assemblées de neurones qui font feu au même rythme. Le résultat de l’interaction entre ces assemblées de neurones va alors dépendre de la phase des deux oscillations de même fréquence qui sont impliquées. Si elles ne sont pas en phase, c’est-à-dire si les pics et les creux des oscillations ne se produisent pas en même temps, le signal risque d’être réduit, voire même annulé complètement si elles sont en phase opposée. L’efficacité de la communication entre deux régions cérébrales peut donc en être grandement affectée.
Il arrive aussi parfois qu’il y ait deux régions qui ont le même rythme, mais que l’une reçoit le signal de l’autre avec un léger décalage au niveau de leur phase respective. On observe alors souvent que la région réceptrice va décaler un peu son rythme pour devenir en phase avec le signal qu’elle reçoit. Cette synchronisation des phases de nos oscillations de même fréquence est un phénomène courant qui survient spontanément. Et quand deux populations de neurones oscillent au même rythme, elles peuvent synchroniser un grand nombre d’influx nerveux en adoptant simplement la même phase dans leur oscillation. À partir de là, c’est des populations entières de neurones qui sont souvent très éloignées dans le cerveau qui peuvent se reconnaître et communiquer de façon soutenue sur de longues périodes. Et ça c’est très économe comme mécanisme. Et ça va permettre de faire plein de choses. Par exemple de créer des coalitions transitoires qui vont être capables de travailler ensemble, sur le champ, pour faire face à une situation donnée.
Et ça, ça m’amène plus spécifiquement à ce que mon travail des dernières semaines sur le livre m’ont permis de mieux comprendre. C’est l’un des grands plaisirs mais en même temps des grands défis de ce bouquin que d’essayer d’aller un peu plus loin dans ma compréhension de phénomènes que j’ai maintes fois expliqués. Car il suffit d’essayer de mettre ces explications par écrit pour que les doutes et les questions surgissent. Et que les recherches nécessaires pour clarifier les choses te fasse découvrir de nouvelles choses ou de nouvelles façons de les considérer.
Cette fois-ci, ça partait simplement de l’idée que quand une région cérébrale produit un rythme, étant donné la grande connectivité du cerveau, il va y avoir d’autres régions qui vont recevoir ces oscillations-là. Rien de plus évident, vous allez me dire. Oui mais ces rythmes, lorsqu’ils sont synchronisés comme on l’a dit, peuvent entraîner des populations entières de neurones à « travailler ensemble », formant des assemblées de neurones transitoires qu’on appelle aussi des engrammes. Ces engrammes sont transitoires parce qu’aussitôt formés, ils sont susceptibles d’embraser d’autres assemblées de neurones dans d’autres régions cérébrale, créant ainsi une succession d’activations transitoires débouchant ultimement sur une action.
Donc que le point de départ soit un engramme construit par les rythmes d’une perception, d’un souvenir ou de quelque chose d’imaginé, il y aura toujours ensuite une succession d’autres activations d’engrammes qu’on peut associer à des trajectoires. On ne comprend évidemment pas encore tous les mécanismes qui permettent la transition de telle assemblée de neurone à telle autre, et ainsi de suite jusqu’à l’action.
Mais une chose qui m’a aidé à y voir plus clair c’est la relecture des pages 189 à 191 de l’excellent The Brain from Inside Out, de György Buzsáki. Ce spécialiste des rythmes cérébraux y rappelle qu’à chaque étape on peut considérer les populations de neurones affectés comme étant des « lecteurs » de l’activité neuronale en amont. Cette métaphore du lecteur est loin d’être innocente car elle va encore une fois à l’encontre de l’idée qu’on a de régions cérébrales qui recevraient passivement des messages d’autres régions cérébrales. Au contraire, comme un lecteur ou une lectrice, une structure cérébrale donnée va extraire activement différents messages de plusieurs autres régions cérébrales avec lesquelles elle a des connexions anatomiques et dont elle surveille en permanence l’activité.
Concrètement, ça pourrait être par exemple les séquences d’activation de cellules de lieu dans l’hippocampe dont on sait qu’elles sont lues par les neurones du septum latéral. De sorte que, et là je vous passe les détails parce que ça devient vite bien compliqué, une population de neurones du septum va pouvoir, grâce à son rythme thêta (de 4 à 8 Hertz), extraire suffisamment d’information de la région CA1 et CA3 de l’hippocampe pour connaître précisément la position passée, présente et planifiée de l’animal ! Et c’est cette info, transformée ou compressée maintenant dans le langage du septum, qui va être à son tour lue par d’autres régions en aval comme l’hypothalamus latéral où des régions associées au contrôle du mouvement dans le tronc cérébral.
C’est comme si chaque région cérébrale parlait une langue que seulement quelques autres régions peuvent comprendre finalement. On voit tout de suite alors, en filant cette métaphore, qu’il sera facile pour bien des structures cérébrales d’être capables de lire dans plusieurs langues des séquences nerveuses correspondant à des choix simples, comme bouger la main vers la droite ou vers la gauche. Mais faire la différence entre des trajectoires plus complexes, représentant par exemple de riches souvenirs épisodiques, ça ça va prendre des lecteurs et des mécanismes de lecture autrement plus perfectionnés. Et on pense que le cortex jouerait bien souvent ce rôle de lecteur ultra-sophistiqué, capable de discriminer et de classifier d’innombrables patterns ou séquences d’activation. Pour ensuite soit les encoder en souvenir, soit les rendre accessible pour la planification et l’exécution d’une action. D’ailleurs l’augmentation de la taille du cortex chez les mammifères et les primates aurait permis de lire un nombre de plus en plus grand de trajectoires en provenance de l’hippocampe ou d’ailleurs.
Si vous n’avez pas l’impression de vraiment comprendre ces phénomènes dynamiques complexes, ne vous en faites pas : c’est aussi mon cas ! Le but dans ce billet comme dans le chapitre correspondant du livre est seulement de donner un aperçu de l’étendu des phénomènes qui dépendent des oscillations neuronales. Juste d’avoir ça en tête un peu, vous en savez déjà beaucoup plus que la moyenne des ours sur le fonctionnement de votre cerveau… ou de celui des ours, car les oscillations sont très bien conservées chez tous les mammifères !
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C’est officiellement l’été et comme le veut la tradition ces billets vont devenir plus espacés et irréguliers. J’ai par exemple une belle randonnée de canot qui m’attend en juillet. Je vous souhaite de profiter aussi du beau temps et de la belle nature !
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