En examinant les fluctuations instantanées des signaux d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) du cortex humain, des scientifiques de l’Université de Sydney et de l’Université de Fudan ont découvert des ondes en forme de spirale répandues dans toute la couche externe du tissu neural. Selon eux, ces « spirales cérébrales » contribuent à organiser l’activité cérébrale et le traitement cognitif. Leur découverte pourrait aider à mettre au point des machines directement inspirées du cerveau humain.
Le cortex cérébral est la couche la plus externe du cerveau et c’est le plus grand site d’intégration neuronale du système nerveux central (il comporte entre 14 et 16 milliards de neurones). Il joue un rôle clé dans de nombreuses fonctions cognitives complexes, telles que l’attention, la perception, la conscience, la pensée, la mémoire, le langage et la conscience. Les signaux cérébraux découverts par les chercheurs se propagent dans tout le cortex et s’avèrent omniprésents, tant au repos que dans les tâches cognitives.
La plupart des recherches en neurosciences se focalisent sur les connexions et les interactions entre les neurones pour comprendre le fonctionnement du cerveau. Mais de plus en plus de scientifiques étudient des processus cérébraux plus vastes pour tenter de percer ses mystères. « L’activité à grande échelle du cerveau humain présente des schémas riches et complexes, mais la dynamique spatio-temporelle de ces schémas et leurs rôles fonctionnels dans la cognition restent peu clairs », expliquent les chercheurs dans Nature Human Behaviour.
Des « ponts » pour traiter plus rapidement les informations
C’est en examinant les scans cérébraux d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) d’une centaine de jeunes adultes que l’équipe a identifié pour la première fois ces étranges spirales cérébrales, se propageant à travers le cortex. Elles étaient présentes dans le cerveau de tous les participants.
Leur fonction exacte reste à éclaircir, mais ces signaux semblent jouer un rôle dans l’organisation de l’activité cérébrale et du traitement cognitif. « Les propriétés de ces spirales cérébrales, telles que leurs directions et emplacements de rotation, sont pertinentes pour les tâches et peuvent être utilisées pour classer différentes tâches cognitives », notent les chercheurs dans leur article.
Ils ont remarqué que les spirales cérébrales tournent autour de points centraux qu’ils nomment « centres de singularité de phase », tandis que les centres eux-mêmes se propagent à travers le cortex, produisant une riche dynamique spatio-temporelle. Ils précisent que les spirales peuvent parcourir jusqu’à dix centimètres environ dans le cortex. L’équipe rapporte également que les distributions de spirales dans les hémisphères gauche et droit présentent un certain degré de symétrie ; ils ont observé en effet que les amas de spirales de directions de rotation opposées ont tendance à se trouver dans les mêmes régions fonctionnelles des deux hémisphères.
Il apparaît par ailleurs que les spirales émergent souvent aux frontières séparant les différents réseaux fonctionnels du cerveau. Cet emplacement particulier suggère qu’elles pourraient agir comme des « ponts de communication », reliant efficacement l’activité cérébrale à différentes régions ou réseaux de neurones du cerveau via leur mouvement de rotation. Certaines des spirales observées étaient suffisamment grandes pour couvrir plusieurs réseaux.
« Les interactions complexes entre plusieurs spirales co-existantes pourraient permettre aux calculs neuronaux d’être effectués de manière distribuée et parallèle, conduisant à une efficacité de calcul remarquable », explique Pulin Gong, professeur agrégé de l’ École de physique de la Faculté des sciences de l’Université de Sydney et co-auteur de l’étude.
Vers une meilleure compréhension du cerveau et de ses pathologies
Les chercheurs ont découvert que ces spirales cérébrales en interaction permettent une reconfiguration flexible de l’activité cérébrale lors de diverses tâches impliquant le traitement du langage naturel et la mémoire de travail. Lorsque les participants à l’étude étaient invités à effectuer certaines tâches (répondre à une question de mathématique ou écouter une histoire par exemple), les spirales changeaient de direction du sens horaire au sens antihoraire dans différentes régions du cerveau. Ceci suggère qu’elles coordonnent l’activité cérébrale en modifiant leur sens de rotation. Leur distribution est également spécifique à la tâche.
Étant donné que l’emplacement et le sens de rotation des spirales cérébrales sont spécifiques à la tâche, ces caractéristiques peuvent être utilisées pour classer de manière fiable les différentes étapes du traitement cognitif en cours.
« Notre étude suggère que mieux comprendre comment les spirales sont liées au traitement cognitif pourrait considérablement améliorer notre compréhension de la dynamique et des fonctions du cerveau », a déclaré le professeur Gong. Une meilleure compréhension des fonctions fondamentales du cerveau pourrait aider, par la même occasion, à mieux cerner les effets de certaines maladies, telles que la démence ou la paralysie cérébrale, qui affectent directement le cortex.
Mais ce n’est pas tout ! L’équipe pense que sa découverte pourrait avoir le potentiel de faire progresser le développement d’ordinateurs sophistiqués, directement inspirés du fonctionnement complexe du cerveau humain. Les chercheurs espèrent que leur étude encouragera d’autres neuroscientifiques à examiner des phénomènes à plus grande échelle dans le cerveau, afin de disposer d’une image plus complète de son fonctionnement.