Les chercheurs du MIT ont identifié des modèles d’activité électrique uniques dans les couches corticales du cerveau, cohérents entre différentes espèces. Cette découverte, montrant des oscillations plus rapides dans les couches superficielles et plus lentes dans les couches plus profondes, donne un aperçu du fonctionnement et des troubles du cerveau. Crédit : Issues.fr.com
Chez les mammifères espècesles ondes cérébrales sont plus lentes dans les couches corticales profondes, tandis que les couches superficielles génèrent des rythmes plus rapides.
Dans tout le cortex cérébral, les neurones sont disposés en six couches distinctes, facilement visibles au microscope. Une équipe de MIT Les neuroscientifiques ont maintenant découvert que ces couches présentent également des modèles distincts d’activité électrique, cohérents dans de nombreuses régions du cerveau et chez plusieurs espèces animales, y compris les humains.
Les chercheurs ont découvert que dans les couches supérieures, l’activité des neurones est dominée par des oscillations rapides appelées ondes gamma. Dans les couches plus profondes, des oscillations plus lentes appelées ondes alpha et bêta prédominent. L’universalité de ces schémas suggère que ces oscillations jouent probablement un rôle important dans le cerveau, affirment les chercheurs.
« Lorsque vous voyez quelque chose d’aussi cohérent et omniprésent dans le cortex, cela joue un rôle très fondamental dans ce que fait le cortex », déclare Earl Miller, professeur de neurosciences à Picower, membre du Picower Institute for Learning and Memory du MIT et l’un des auteurs principaux de la nouvelle étude.
Les déséquilibres dans la façon dont ces oscillations interagissent les unes avec les autres pourraient être impliqués dans des troubles cérébraux tels que le trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité, affirment les chercheurs.
« On sait qu’une activité neuronale trop synchrone joue un rôle dans l’épilepsie, et nous soupçonnons désormais que différentes pathologies de synchronisation peuvent contribuer à de nombreux troubles cérébraux, notamment des troubles de la perception, de l’attention, de la mémoire et du contrôle moteur. Dans un orchestre, un instrument joué de manière désynchronisée avec les autres peut perturber la cohérence de l’ensemble du morceau de musique », explique Robert Desimone, directeur du McGovern Institute for Brain Research du MIT et l’un des principaux auteurs de l’étude.
André Bastos, professeur adjoint de psychologie à l’Université Vanderbilt, est également l’un des auteurs principaux de l’article en libre accès, qui paraît aujourd’hui (18 janvier) dans Neurosciences naturelles. Les principaux auteurs de l’article sont Diego Mendoza-Halliday, chercheur au MIT, et Alex Major, postdoctorant au MIT.
Couches d’activité
Le cerveau humain contient des milliards de neurones, chacun possédant ses propres modes de fonctionnement électrique. Ensemble, des groupes de neurones présentant des schémas similaires génèrent des oscillations d’activité électrique, ou ondes cérébrales, qui peuvent avoir des fréquences différentes. Le laboratoire de Miller a déjà montré que les rythmes gamma à haute fréquence sont associés à l’encodage et à la récupération d’informations sensorielles, tandis que les rythmes bêta à basse fréquence agissent comme un mécanisme de contrôle qui détermine quelles informations sont lues dans la mémoire de travail.
Son laboratoire a également découvert que dans certaines parties du cortex préfrontal, différentes couches du cerveau présentent des modèles d’oscillation distinctifs : une oscillation plus rapide à la surface et une oscillation plus lente dans les couches profondes. Une étude, menée par Bastos alors qu’il était postdoctorant dans le laboratoire de Miller, a montré que lorsque les animaux effectuaient des tâches de mémoire de travail, les rythmes de basse fréquence générés dans les couches plus profondes régulaient les rythmes gamma de plus haute fréquence générés dans les couches superficielles.
En plus de la mémoire de travail, le cortex cérébral est également le siège de la pensée, de la planification et du traitement de haut niveau des émotions et des informations sensorielles. Dans toutes les régions impliquées dans ces fonctions, les neurones sont disposés en six couches, et chaque couche possède sa propre combinaison distinctive de types de cellules et de connexions avec d’autres zones du cerveau.
« Le cortex est organisé anatomiquement en six couches, peu importe que vous regardiez des souris, des humains ou des espèces de mammifères, et ce modèle est présent dans toutes les zones corticales de chaque espèce », explique Mendoza-Halliday. « Malheureusement, de nombreuses études sur l’activité cérébrale ont ignoré ces couches, car lorsque vous enregistrez l’activité des neurones, il est difficile de comprendre où ils se trouvent dans le contexte de ces couches. »
Dans le nouvel article, les chercheurs voulaient déterminer si le modèle d’oscillation en couches qu’ils avaient observé dans le cortex préfrontal était plus répandu, se produisant dans différentes parties du cortex et entre espèces.
En utilisant une combinaison de données acquises dans les laboratoires de Miller, de Desimone et des laboratoires de collaborateurs de Vanderbilt, de l’Institut néerlandais des neurosciences et de l’Université de Western Ontario, les chercheurs ont pu analyser 14 zones différentes du cortex, provenant de quatre espèces de mammifères. . Ces données comprenaient des enregistrements de l’activité électrique de trois patients humains ayant eu des électrodes insérées dans le cerveau dans le cadre d’une intervention chirurgicale qu’ils subissaient.
L’enregistrement à partir de couches corticales individuelles était difficile dans le passé, car chaque couche a moins d’un millimètre d’épaisseur. Il est donc difficile de savoir à partir de quelle couche une électrode enregistre. Pour cette étude, l’activité électrique a été enregistrée à l’aide d’électrodes spéciales qui enregistrent toutes les couches à la fois, puis introduisent les données dans un nouvel algorithme de calcul conçu par les auteurs, appelé FLIP (procédure d’identification des couches basée sur la fréquence). Cet algorithme peut déterminer de quelle couche provient chaque signal.
« Une technologie plus récente permet d’enregistrer simultanément toutes les couches du cortex. Cela donne une perspective plus large aux microcircuits et nous a permis d’observer ce motif en couches », explique Major. « Ce travail est passionnant car il renseigne à la fois sur un modèle fondamental de microcircuit et fournit une nouvelle technique robuste pour étudier le cerveau. Peu importe que le cerveau exécute une tâche ou qu’il soit au repos, il peut être observé en seulement cinq à dix secondes. »
Chez toutes les espèces, dans chaque région étudiée, les chercheurs ont trouvé le même schéma d’activité en couches.
« Nous avons effectué une analyse massive de toutes les données pour voir si nous pouvions trouver le même schéma dans toutes les zones du cortex, et voilà, c’était partout. C’était une indication réelle que ce qui avait été observé précédemment dans quelques domaines représentait un mécanisme fondamental à travers le cortex », explique Mendoza-Halliday.
Maintenir l’équilibre
Les résultats soutiennent un modèle précédemment proposé par le laboratoire de Miller, qui propose que l’organisation spatiale du cerveau l’aide à incorporer de nouvelles informations, transportées par des oscillations à haute fréquence, dans les mémoires et les processus cérébraux existants, qui sont maintenus par des oscillations à basse fréquence. . Au fur et à mesure que les informations passent d’une couche à l’autre, les entrées peuvent être incorporées selon les besoins pour aider le cerveau à effectuer des tâches particulières telles que préparer une nouvelle recette de biscuits ou mémoriser un numéro de téléphone.
« La conséquence d’une séparation laminaire de ces fréquences, comme nous l’avons observé, pourrait être de permettre aux couches superficielles de représenter les informations sensorielles externes avec des fréquences plus rapides, et aux couches profondes de représenter les états cognitifs internes avec des fréquences plus lentes », explique Bastos. « L’implication de haut niveau est que le cortex dispose de multiples mécanismes impliquant à la fois l’anatomie et les oscillations pour séparer les informations « externes » des informations « internes ».
Selon cette théorie, les déséquilibres entre les oscillations hautes et basses fréquences peuvent conduire à des déficits d’attention tels que TDAHlorsque les fréquences les plus élevées dominent et que trop d’informations sensorielles entrent, ou des troubles délirants tels que la schizophrénie, lorsque les oscillations de basse fréquence sont trop fortes et qu’il n’y a pas assez d’informations sensorielles.
« Le bon équilibre entre les signaux de contrôle descendants et les signaux sensoriels ascendants est important pour tout ce que fait le cortex », explique Miller. « Lorsque l’équilibre se dérègle, vous obtenez une grande variété de troubles neuropsychiatriques. »
Les chercheurs étudient désormais si la mesure de ces oscillations pourrait aider à diagnostiquer ces types de troubles. Ils étudient également si le rééquilibrage des oscillations pourrait modifier le comportement – une approche qui pourrait un jour être utilisée pour traiter les déficits d’attention ou d’autres troubles neurologiques, affirment les chercheurs.
Les chercheurs espèrent également travailler avec d’autres laboratoires pour caractériser plus en détail les modèles d’oscillations en couches dans différentes régions du cerveau.
« Notre espoir est qu’avec suffisamment de rapports standardisés, nous commencerons à voir des modèles d’activité communs dans différents domaines ou fonctions qui pourraient révéler un mécanisme commun de calcul pouvant être utilisé pour les sorties motrices, pour la vision, pour la mémoire et l’attention. et cetera », dit Mendoza-Halliday.
La recherche a été financée par l’Office of Naval Research des États-Unis, Instituts nationaux de la santéle National Eye Institute des États-Unis, le National Institute of Mental Health des États-Unis, le Picower Institute, une bourse postdoctorale du Centre Simons pour le cerveau social et une bourse postdoctorale des Instituts de santé du Canada.
