Il y a plusieurs couches dans le cerveau humain. De son extérieur ridé à ses profondeurs les plus sombres, les scientifiques tentent de tous les comprendre. Mais en se concentrant sur les circuits neuronaux complexes du cerveau, ils semblent avoir négligé les schémas d’activité tourbillonnant à la surface.
Une équipe de physiciens des fluides de l’Université de Sydney en Australie et de l’Université Fudan en Chine a découvert des signaux cérébraux se répercutant sur la couche la plus externe du tissu neural du cerveau, le cortex cérébral, sur des scans de 100 cerveaux de jeunes adultes. Des signaux disposés naturellement en spirales, comme des tourbillons dans une baignoire qui se vide ou des tourbillons d’air turbulent.
“Mieux comprendre comment les spirales sont liées au traitement cognitif pourrait considérablement améliorer notre compréhension de la dynamique et des fonctions du cerveau”, déclare l’auteur principal Pulin Gong, physicien à l’Université de Sydney.
Le cortex est la couche externe ridée de tissu dense en neurones qui se replie dans les deux hémisphères de notre cerveau, responsable du calcul de fonctions cognitives complexes telles que le langage et le stockage des souvenirs.
Les neuroscientifiques se sont principalement concentrés sur la cartographie de l’activité cérébrale de bas en haut pour comprendre le fonctionnement interne de régions comme le cortex : les cellules d’imagerie pour déterminer comment elles communiquent en tant que réseaux qui donnent naissance à leur fonction.
Dans une tournure passionnante, l’équipe a analysé les données d’imagerie cérébrale recueillies dans le cadre du Projet Connectome humain en utilisant les méthodes les plus familières aux physiciens des fluides qui étudient les modèles d’ondes complexes dans les écoulements turbulents.
Les IRM fonctionnelles produisent des données d’imagerie qui montrent quand et où le cerveau « s’allume » dans une explosion d’activité, inondé de sang oxygéné. Les modèles en spirale identifiés dans les données ressemblent à des ondes kaléidoscopiques ou, lorsqu’ils sont simplifiés en tourbillons directionnels, à des lignes de pression circulaires sur une carte météorologique.
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“Ces modèles en spirale présentent une dynamique complexe et complexe, se déplaçant à travers la surface du cerveau tout en tournant autour de points centraux appelés singularités de phase”, explique Gong.
“Tout comme les vortex agissent dans la turbulence, les spirales s’engagent dans des interactions complexes, jouant un rôle crucial dans l’organisation des activités complexes du cerveau”, a-t-il émis l’hypothèse.
Des ondes rythmiques en spirale ont déjà été détectées dans les circuits neuronaux, se déplaçant dans les régions cérébrales locales qui gèrent les entrées sensorielles telles que les cortex visuel, auditif et somatosensoriel.
Ces ondes progressives sont assez intrigantes au niveau cellulaire, surtout si l’on considère comment des vortex turbulents ont également été observés ailleurs dans le corps et la nature : dans les suspensions de bactéries nageuses, la signalisation biochimique du cœur et dans les membranes des cellules vivantes.
Croquis montrant des spirales dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans l’activité cérébrale. (Xu et al., Nature Human Behavior, 2023)
Mais la façon dont les ondes de type tourbillon peuvent se matérialiser dans le cortex cérébral dans son ensemble n’avait pas été explorée jusqu’à présent, ce qui laisse un vide dans la compréhension de la façon dont les fonctions cérébrales dans chacune des régions pourraient être connectées.
Les ondes en spirale semblaient couvrir plusieurs réseaux de cellules interconnectées et étaient situées à des emplacements anatomiques précis, ce qui suggère qu’elles pourraient jouer un rôle dans la coordination de l’activité cérébrale.
Cette théorie de travail a été testée avec des analyses supplémentaires, révélant que les spirales cérébrales changeaient de direction pour réorganiser l’activité cérébrale pendant le traitement du langage et les tâches de mémoire de travail telles qu’écouter des histoires et répondre à des problèmes mathématiques.
“L’une des principales caractéristiques de ces spirales cérébrales est qu’elles émergent souvent aux frontières qui séparent différents réseaux fonctionnels dans le cerveau”, explique Yiben Xu, étudiant diplômé en physique de l’Université de Sydney.
À ces endroits, les chercheurs pensent que les spirales en rotation peuvent agir comme une porte, laissant l’activité cérébrale s’écouler vers une autre région. quand les tours s’opposentou comme un mur, le bloquant quand ils tournent dans le même sens.
“Grâce à leur mouvement de rotation, ils coordonnent efficacement le flux d’activité entre ces réseaux”, suggère Xu.
Les résultats correspondent à une théorie alternative sur la façon dont les fonctions cérébrales complexes découlent de l’activité de cellules individuelles, qui se déclenchent. La théorie suggère que les schémas ondulatoires de l’activité cérébrale sont sculptés par la forme du cerveau lui-même – les plis, les rainures et les contours – plutôt que par ses interconnexions.
Le neurobiologiste Kentaroh Takagaki de l’Université de Tokushima au Japon, qui n’a pas participé aux travaux, affirme que les résultats de Gong et de ses collègues “présentent également un contrepoint brutal” à l’hypothèse en colonne du cerveau, qui décrit comment le cortex est organisé en colonnes de neurones qui traiter les informations en blocs.
Cependant, les enregistrements IRMf utilisés dans l’étude n’ont capturé que des ondes lentes d’activité cérébrale, donc des recherches supplémentaires sont nécessaires pour voir si des modèles similaires émergent dans des oscillations plus rapides des ondes cérébrales et sur des scans à plus haute résolution.
“En démêlant les mystères de l’activité cérébrale et en découvrant les mécanismes régissant sa coordination, nous nous rapprochons de la libération du plein potentiel de compréhension de la cognition et de la fonction cérébrale”, a déclaré Gong.
L’étude a été publiée dans Nature Human Behaviour.
