En étudiant les scanners cérébraux des personnes regardant des clips vidéo, des chercheurs du MIT ont élaboré la carte la plus détaillée à ce jour des fonctions du cortex cérébral.
Grâce à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’équipe a identifié 24 réseaux cérébraux ayant diverses fonctions, telles que le traitement du langage, les interactions sociales, les caractéristiques visuelles et d’autres types de stimuli sensoriels.
Bien que plusieurs de ces réseaux aient été observés auparavant, ils n’avaient pas été précisément caractérisés dans des conditions naturalistes. Alors que cette nouvelle étude a cartographié les réseaux chez des sujets regardant des films captivants, les recherches antérieures se concentraient sur un nombre limité de tâches spécifiques ou sur l’analyse des corrélations dans le cerveau de sujets au repos.
« Une approche émergente en neurosciences consiste à examiner les réseaux cérébraux dans des conditions plus naturalistes. C’est une nouvelle méthode qui révèle des aspects différents des approches conventionnelles en neuroimagerie », explique Robert Desimone, directeur du McGovern Institute for Brain Research au MIT. « Cela ne nous donnera pas toutes les réponses, mais cela génère de nombreuses idées intéressantes basées sur ce que nous observons dans les films et les cartes de réseau qui en résultent. »
Les chercheurs espèrent que cette nouvelle carte servira de base pour des études approfondies sur les fonctions spécifiques de chacun de ces réseaux dans le cerveau.
Desimone et John Duncan, responsable du programme de l’unité MRC Cognition and Brain Sciences de l’Université de Cambridge, sont les auteurs principaux de l’étude, qui est publiée aujourd’hui dans Neuron. Reza Rajimehr, chercheur au McGovern Institute et ancien étudiant diplômé de l’Université de Cambridge, est l’auteur principal de l’article.
Cartographie précise
Le cortex cérébral contient des régions dédiées au traitement de différents types d’informations sensorielles, y compris les entrées visuelles et auditives. Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont identifié de nombreux réseaux impliqués dans ce type de traitement, souvent en utilisant l’IRMf pour mesurer l’activité cérébrale lorsque les sujets effectuent une tâche unique, comme regarder des visages.
Dans d’autres études, les chercheurs ont scanné le cerveau de personnes au repos ou laissant leur esprit vagabonder. Ces études ont permis d’identifier des réseaux tels que le réseau en mode par défaut, actif lors d’activités internes comme la rêverie.
« Jusqu’à présent, la plupart des études sur les réseaux reposaient sur des IRM fonctionnelles au repos. Grâce à ces études, nous connaissons certains réseaux principaux du cortex. Chacun d’eux est responsable d’une fonction cognitive spécifique et a eu une grande influence dans le domaine de la neuroimagerie », explique Rajimehr.
Cependant, au repos, de nombreuses parties du cortex peuvent ne pas être actives. Pour obtenir une image plus complète des fonctions de ces régions, l’équipe du MIT a analysé les données enregistrées pendant que les sujets regardaient un film.
« En utilisant un stimulus riche comme un film, nous pouvons stimuler de nombreuses régions du cortex de manière très efficace. Par exemple, les régions sensorielles seront actives pour traiter différentes caractéristiques du film, et les zones de haut niveau seront actives pour extraire des informations sémantiques et contextuelles », explique Rajimehr. « En activant le cerveau de cette manière, nous pouvons désormais distinguer différentes zones ou réseaux selon leurs schémas d’activation. »
Les données de cette étude ont été générées dans le cadre du projet Human Connectome. À l’aide d’un scanner IRM de 7 Tesla, offrant une résolution plus élevée qu’un scanner IRM classique, l’activité cérébrale a été imagée chez 176 personnes regardant une heure de clips vidéo de diverses scènes.
L’équipe du MIT a utilisé un algorithme d’apprentissage automatique pour analyser les modèles d’activité de chaque région du cerveau, permettant d’identifier 24 réseaux avec différents modèles d’activité et fonctions.
Certains de ces réseaux sont localisés dans des zones sensorielles telles que le cortex visuel ou auditif, comme attendu pour des régions avec des fonctions sensorielles spécifiques. D’autres zones répondent à des caractéristiques telles que les actions, le langage ou les interactions sociales. Bien que beaucoup de ces réseaux aient déjà été observés, cette technique offre une définition plus précise de leur emplacement, selon les chercheurs.
« Différentes régions sont en concurrence pour le traitement de fonctionnalités spécifiques. Ainsi, lorsque vous cartographiez chaque fonction de manière isolée, vous pouvez obtenir un réseau légèrement plus grand, car il n’est pas limité par d’autres processus », explique Rajimehr. « Mais ici, parce que toutes les zones sont considérées ensemble, nous pouvons définir des frontières plus précises entre les différents réseaux. »
Les chercheurs ont également identifié des réseaux qui n’avaient jamais été observés auparavant, dont un dans le cortex préfrontal, très réactif aux scènes visuelles. Ce réseau était plus actif en réponse aux images de scènes dans les films.
Réseaux de contrôle exécutif
Trois des réseaux découverts dans cette étude sont impliqués dans le « contrôle exécutif » et étaient plus actifs lors des transitions entre différents clips. Les chercheurs ont également observé que ces réseaux de contrôle semblent entretenir une relation « push-pull » avec des réseaux traitant des caractéristiques spécifiques comme les visages ou les actions. Lorsque les réseaux spécifiques à une fonctionnalité étaient très actifs, les réseaux de contrôle exécutif étaient pour la plupart silencieux, et vice versa.
« Chaque fois que les activations dans des domaines spécifiques à un domaine sont élevées, il semble que l’engagement de ces réseaux de haut niveau ne soit pas nécessaire », explique Rajimehr. « Mais dans les situations où il existe peut-être une certaine ambiguïté et complexité dans le plan de relance, et où il est nécessaire d’impliquer les réseaux de contrôle exécutif, nous constatons alors que ces réseaux deviennent très actifs. »
En utilisant le paradigme du visionnage de films, les chercheurs étudient désormais plus en détail certains des réseaux qu’ils ont identifiés, afin d’identifier les sous-régions impliquées dans des tâches particulières. Par exemple, au sein du réseau de traitement social, ils ont trouvé des régions spécifiques au traitement des informations sociales sur les visages et les corps. Dans un nouveau réseau qui analyse des scènes visuelles, ils ont identifié des régions impliquées dans le traitement de la mémoire des lieux.
« Ce type d’expérience consiste en réalité à générer des hypothèses sur la manière dont le cortex cérébral est organisé fonctionnellement. Les réseaux qui émergent lors du visionnage de films doivent désormais être suivis d’expériences plus spécifiques pour tester les hypothèses. Cela nous donne une nouvelle vision du fonctionnement de l’ensemble du cortex lors d’une tâche plus naturaliste que la simple position assise au repos », explique Desimone.
La recherche a été financée par l’Institut McGovern, le Conseil des sciences et technologies cognitives d’Iran, l’unité de cognition et des sciences du cerveau du MRC de l’Université de Cambridge et une bourse du Cambridge Trust.
