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Maîtriser l'esprit : les sursauts bêta d'ondes cérébrales et leur rôle dans le contrôle cognitif

SciTechDaily

Les rythmes bêta compris entre 14 et 30 Hz sont cruciaux pour le contrôle cognitif, influençant la manière dont le cerveau traite les informations et pourraient aider à diagnostiquer et à traiter les troubles cognitifs. Crédit : Issues.fr.com

Des rafales de rythmes cérébraux avec des fréquences « bêta » contrôlent où et quand les neurones du cortex traitent les informations sensorielles et planifient les réponses. L'étude de ces sursauts améliorerait la compréhension de la cognition et des troubles cliniques, écrivent les chercheurs.

Le cerveau traite les informations à plusieurs échelles. Les cellules individuelles transmettent électrochimiquement des signaux dans des circuits, mais à grande échelle nécessaire pour produire la cognition, des millions de cellules agissent de concert, entraînées par des signaux rythmiques à différentes fréquences. L’étude d’une gamme de fréquences en particulier, les rythmes bêta entre 14 et 30 Hz environ, est la clé pour comprendre comment le cerveau contrôle les processus cognitifs – ou perd le contrôle dans certains troubles – affirme une équipe de neuroscientifiques dans un nouvel article de synthèse.

Rythmes bêta dans le contrôle cognitif

S'appuyant sur des données expérimentales, des modèles mathématiques et des théories, les scientifiques font valoir que des sursauts de rythmes bêta contrôlent la cognition dans le cerveau en régulant où et quand des ondes de fréquence gamma plus élevées peuvent coordonner les neurones pour incorporer de nouvelles informations provenant des sens ou formuler des plans d'action. . Selon eux, les sursauts bêta établissent rapidement des modèles d’activité neuronale flexibles mais contrôlés pour la mise en œuvre de la pensée intentionnelle.

« La cognition dépend de l'organisation de la pensée orientée vers un objectif, donc si vous voulez comprendre la cognition, vous devez comprendre cette organisation », a déclaré le co-auteur Earl K. Miller, professeur Picower à l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire et au Département de cerveau. et sciences cognitives à MIT. « La bêta est la gamme de fréquences qui peuvent contrôler les neurones à la bonne échelle spatiale pour produire une pensée organisée. »

Explosions bêta d'ondes cérébrales

Les données d’une étude réalisée en 2018 par les auteurs montrent des sursauts de puissance des ondes cérébrales (couleurs plus chaudes) aux fréquences gamma (plus élevées) et bêta (plus basses) au cours d’une tâche de mémoire de travail. Lorsque des sursauts bêta apparaissent, il n’y a pas de sursauts gamma. Mais lorsque les stimuli (S1) et (S2) sont présentés, l’absence de bêta permet aux sursauts gamma de coder l’information. Crédit : Miller Lab/MIT Picower Institute

Miller et ses collègues Mikael Lundqvist, Jonatan Nordmark et Johan Liljefors du Karolinska Institutet et Pawel Herman du KTH Royal Institute of Technology en Suède, écrivent qu'étudier les sursauts de rythmes bêta pour comprendre comment ils émergent et ce qu'ils représentent aiderait non seulement à expliquer cognition, mais aide également au diagnostic et au traitement des troubles cognitifs.

« Compte tenu de l’importance des oscillations bêta dans la cognition, nous prévoyons un changement majeur dans la pratique de l’identification des biomarqueurs, en particulier compte tenu de l’importance du sursaut bêta dans les processus de contrôle inhibiteurs… et de leur importance dans TDAHla schizophrénie et Alzheimer maladie », écrivent-ils dans le journal Tendances des sciences cognitives.

Données bêta

Des études expérimentales portant sur plusieurs espèces y compris les humains, diverses régions du cerveau et de nombreuses tâches cognitives ont révélé les caractéristiques clés des ondes bêta dans le cortex, écrivent les auteurs : Les rythmes bêta se produisent par rafales rapides mais puissantes ; ils inhibent la puissance des rythmes gamma de fréquence plus élevée ; et bien qu’ils proviennent de régions cérébrales plus profondes, ils se déplacent dans des emplacements spécifiques du cortex. En considérant ces propriétés ensemble, les auteurs écrivent qu'elles sont toutes cohérentes avec une régulation précise et flexible, dans l'espace et dans le temps, de l'activité du rythme gamma dont les expériences montrent qu'elles véhiculent des signaux d'informations sensorielles et des plans moteurs.

« Les sursauts bêta offrent ainsi de nouvelles opportunités pour étudier comment les entrées sensorielles sont traitées sélectivement, remodelées par des opérations cognitives inhibitrices et aboutissent finalement à des actions motrices », écrivent les auteurs.

Par exemple, Miller et ses collègues ont montré chez des animaux que dans le cortex préfrontal lors de tâches de mémoire de travail, les sursauts bêta directs lorsque l'activité gamma peuvent stocker de nouvelles informations sensorielles, lire les informations lorsqu'elles doivent être utilisées, puis les éliminer lorsqu'elles sont utilisées. n'est plus pertinent. Pour un autre exemple, d'autres chercheurs ont montré que le bêta augmente lorsqu'il est demandé à des volontaires humains de supprimer une association précédemment apprise entre des paires de mots, ou d'oublier un indice parce qu'il ne sera plus utilisé dans une tâche.

Dans un article publié l'année dernière, Lundqvist, Herman, Miller et d'autres ont cité plusieurs éléments de preuves expérimentales pour émettre l'hypothèse que les sursauts bêta mettent en œuvre un contrôle cognitif spatial dans le cerveau, contraignant essentiellement des zones du cortex à représenter les règles générales d'une tâche, même en tant que neurones individuels. à l'intérieur de ces correctifs représentent le contenu spécifique des informations. Par exemple, si la tâche de mémoire de travail consiste à mémoriser une combinaison de cadenas, les rythmes bêta implémenteront des zones de cortex pour les étapes générales « tourner à gauche », « tourner à droite », « tourner encore à gauche », permettant au gamma d'activer les neurones dans chaque patch pour stocker et rappeler plus tard les numéros spécifiques de la combinaison. La double valeur d'un tel principe organisateur, ont-ils noté, est que le cerveau peut rapidement appliquer des règles de tâche à de nombreux neurones à la fois et ce, sans avoir à rétablir la structure globale de la tâche si les nombres individuels changent ( c'est-à-dire que vous définissez une nouvelle combinaison).

Un autre phénomène important des sursauts bêta, écrivent les auteurs, est qu'ils se propagent sur de longues distances dans le cerveau, couvrant plusieurs régions. L’étude de la direction de leurs déplacements spatiaux, ainsi que de leur timing, pourrait apporter un éclairage supplémentaire sur la manière dont le contrôle cognitif est mis en œuvre.

De nouvelles idées engendrent de nouvelles questions

Les sursauts de rythme bêta peuvent différer non seulement par leur fréquence, mais également par leur durée, leur amplitude, leur origine et d'autres caractéristiques. Cette variété témoigne de leur polyvalence, écrivent les auteurs, mais oblige également les neuroscientifiques à étudier et à comprendre ces nombreuses formes différentes du phénomène et ce qu'elles représentent pour exploiter davantage d'informations provenant de ces signaux neuronaux.

« Cela devient rapidement très compliqué, mais je pense que l'aspect le plus important des sursauts bêta est le principe très simple et fondamental selon lequel ils mettent en lumière la nature transitoire des oscillations et des processus neuronaux associés à la cognition », a déclaré Lundqvist. « Cela change nos modèles. de la cognition et aura un impact sur tout ce que nous faisons. Pendant longtemps, nous avons implicitement ou explicitement supposé que des oscillations étaient en cours, ce qui a coloré les expériences et les analyses. Nous assistons désormais à une première vague d’études basées sur cette nouvelle réflexion, avec de nouvelles hypothèses et de nouvelles façons d’analyser les données, et cela ne devrait que s’intensifier dans les années à venir.

Les auteurs reconnaissent un autre problème majeur qui doit être résolu par des recherches plus approfondies : comment les sursauts bêta émergent-ils en premier lieu pour jouer leur rôle apparent dans le contrôle cognitif ?

« On ne sait pas comment les sursauts bêta surviennent en tant que médiateurs d'un ordre exécutif qui se répercute sur d'autres régions du cerveau », écrivent les auteurs.

Les auteurs ne prétendent pas avoir toutes les réponses. Au lieu de cela, écrivent-ils, parce que les rythmes bêta semblent jouer un rôle essentiel dans le contrôle de la cognition, les questions encore sans réponse méritent d'être posées.

« Nous proposons que les sursauts bêta fournissent aux études expérimentales et informatiques une fenêtre permettant d'explorer l'organisation et l'exécution en temps réel des fonctions cognitives », concluent-ils. « Pour exploiter pleinement ce potentiel, il est nécessaire de répondre aux questions en suspens avec de nouveaux paradigmes expérimentaux, méthodes analytiques et approches de modélisation. »

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