Il peut être très instructif d’observer les pixels de votre téléphone au microscope, mais pas si votre objectif est de comprendre ce que montre toute une vidéo à l’écran. La cognition est à peu près le même type de propriété émergente dans le cerveau. Cela ne peut être compris qu’en observant comment des millions de cellules agissent en coordination, affirment un trio de neuroscientifiques du MIT. Dans un nouvel article, ils établissent un cadre pour comprendre comment la pensée naît de la coordination de l’activité neuronale entraînée par des champs électriques oscillants – également connus sous le nom d’« ondes » ou de « rythmes » cérébraux.
Historiquement rejetés uniquement comme des sous-produits de l’activité neuronale, les rythmes cérébraux sont en réalité essentiels à son organisation, écrivent le professeur Earl Miller de Picower et les chercheurs Scott Brincat et Jefferson Roy dans Opinion actuelle en science du comportement. Et tandis que les neuroscientifiques ont acquis d’énormes connaissances en étudiant comment les cellules cérébrales individuelles se connectent et comment et quand elles émettent des « pointes » pour envoyer des impulsions à travers des circuits spécifiques, il est également nécessaire d’apprécier et d’appliquer de nouveaux concepts à l’échelle du rythme cérébral, qui peuvent s’étendre sur régions cérébrales individuelles, voire multiples.
« Les pics et l’anatomie sont importants, mais il se passe bien plus encore dans le cerveau », déclare l’auteur principal Miller, membre du corps professoral de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire et du Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT. « De nombreuses fonctionnalités se déroulent à un niveau supérieur, en particulier la cognition. »
Les enjeux de l’étude du cerveau à cette échelle, écrivent les auteurs, pourraient non seulement inclure la compréhension des fonctions saines de haut niveau, mais également la manière dont ces fonctions sont perturbées en cas de maladie.
« De nombreux troubles neurologiques et psychiatriques, tels que la schizophrénie, l’épilepsie et la maladie de Parkinson, impliquent une perturbation de propriétés émergentes telles que la synchronie neuronale », écrivent-ils. « Nous prévoyons que comprendre comment interpréter et interagir avec ces propriétés émergentes sera essentiel pour développer des traitements efficaces ainsi que pour comprendre la cognition. »
L’émergence des pensées
Le pont entre l’échelle des neurones individuels et la coordination à plus grande échelle de nombreuses cellules repose sur les champs électriques, écrivent les chercheurs. Via un phénomène appelé « couplage éphaptique », le champ électrique généré par l’activité d’un neurone peut influencer la tension des neurones voisins, créant ainsi un alignement entre eux. De cette manière, les champs électriques reflètent l’activité neuronale et l’influencent également. Dans un papier en 2022, Miller et ses collègues ont montré via des expériences et une modélisation informatique que les informations codées dans les champs électriques générés par des ensembles de neurones peuvent être lues de manière plus fiable que les informations codées par les pointes de cellules individuelles. En 2023, le laboratoire de Miller a fourni la preuve que les champs électriques rythmiques pouvaient coordonner les souvenirs entre les régions.
À cette plus grande échelle, dans laquelle les champs électriques rythmiques transportent des informations entre les régions du cerveau, le laboratoire de Miller a publié de nombreuses études montrant que les rythmes de basse fréquence dans la bande dite « bêta » proviennent des couches plus profondes du cortex cérébral et semblent réguler la puissance de rythmes « gamma » à fréquence plus rapide dans des couches plus superficielles. En enregistrant l’activité neuronale dans le cerveau d’animaux engagés dans des jeux de mémoire de travail, le laboratoire a montré que les rythmes bêta transmettent des signaux « descendants » pour contrôler quand et où les rythmes gamma peuvent coder des informations sensorielles, telles que les images dont les animaux ont besoin. rappelez-vous dans le jeu.
Certaines des dernières preuves du laboratoire suggèrent que les rythmes bêta appliquent ce contrôle des processus cognitifs aux zones physiques du cortex, agissant essentiellement comme des pochoirs indiquant où et quand le gamma peut coder des informations sensorielles en mémoire ou les récupérer. Selon cette théorie, que Miller appelle «Informatique spatiale« , la version bêta peut ainsi établir les règles générales d’une tâche (par exemple, les allers-retours nécessaires pour ouvrir une serrure à combinaison), même si le contenu de l’information spécifique peut changer (par exemple, de nouveaux chiffres lorsque la combinaison change) . Plus généralement, cette structure permet également aux neurones d’encoder de manière flexible plusieurs types d’informations à la fois, écrivent les auteurs, une propriété neuronale largement observée appelée « sélectivité mixte ». Par exemple, un neurone codant un numéro de la combinaison de verrouillage peut également se voir attribuer, en fonction du patch au pochoir bêta dans lequel il se trouve, l’étape particulière du processus de déverrouillage pour laquelle le numéro est important.
Dans la nouvelle étude, Miller, Brincat et Roy suggèrent un autre avantage cohérent avec le contrôle cognitif basé sur une interaction d’activités rythmiques coordonnées à grande échelle : le « codage sous-espace ». Cette idée postule que les rythmes cérébraux organisent le nombre par ailleurs massif de résultats possibles qui pourraient résulter, disons, de 1 000 neurones engagés dans une activité de pointe indépendante. Au lieu de toutes les nombreuses possibilités combinatoires, beaucoup moins de « sous-espaces » d’activité apparaissent en réalité, car les neurones sont coordonnés plutôt qu’indépendants. C’est comme si la stimulation des neurones était comme une volée d’oiseaux coordonnant leurs mouvements. Différentes phases et fréquences des rythmes cérébraux assurent cette coordination, alignées pour s’amplifier mutuellement, ou décalées pour éviter les interférences. Par exemple, si une information sensorielle doit être mémorisée, l’activité neuronale qui la représente peut être protégée des interférences lorsque de nouvelles informations sensorielles sont perçues.
« Ainsi, l’organisation des réponses neuronales en sous-espaces peut à la fois séparer et intégrer les informations », écrivent les auteurs.
Le pouvoir des rythmes cérébraux à coordonner et organiser le traitement de l’information dans le cerveau est ce qui permet à la cognition fonctionnelle d’émerger à cette échelle, écrivent les auteurs. Comprendre la cognition dans le cerveau nécessite donc d’étudier les rythmes.
« L’étude isolée des composants neuronaux individuels – neurones et synapses individuels – a apporté d’énormes contributions à notre compréhension du cerveau et reste importante », concluent les auteurs. « Cependant, il devient de plus en plus clair que, pour saisir pleinement la complexité du cerveau, ces composants doivent être analysés de concert pour identifier, étudier et relier leurs propriétés émergentes. »
