Des chercheurs ont découvert que la forme du cerveau d’une personne a un impact significatif sur la pensée, les sentiments et le comportement, bouleversant ainsi l’importance accordée à la connectivité neuronale complexe. Grâce à l’IRM et au principe des modes propres, ils ont constaté que la fonction cérébrale est étroitement liée à ses propriétés géométriques, tout comme la forme d’un instrument de musique détermine sa sonorité, ce qui ouvre de nouvelles voies pour l’exploration des fonctions cérébrales et des maladies.
La forme de notre cerveau, plutôt que les interactions entre les différentes régions, joue un rôle essentiel dans l’influence de nos pensées, de nos émotions et de nos actions.
Depuis plus de cent ans, les scientifiques sont convaincus que nos pensées, nos sentiments et nos rêves sont façonnés par la manière dont les différentes régions du cerveau interagissent via un vaste réseau de billions de connexions cellulaires.
Cependant, une étude récente menée par l’équipe du Turner Institute for Brain and Mental Health de l’université Monash a examiné plus de 10 000 cartes distinctes de l’activité cérébrale humaine et a découvert que la forme générale du cerveau d’un individu a un impact bien plus important sur nos processus cognitifs, nos émotions et notre comportement que sa connectivité neuronale complexe.
L’étude, récemment publiée dans la prestigieuse revue Nature, rassemble des approches issues de la physique, des neurosciences et de la psychologie pour renverser le paradigme centenaire soulignant l’importance de la connectivité cérébrale complexe, en identifiant plutôt une relation jusqu’alors non appréciée entre la forme du cerveau et l’activité cérébrale.
L’auteur principal et chercheur James Pang, du Turner Institute et de l’école des sciences psychologiques de l’université Monash, a déclaré que ces résultats étaient importants car ils simplifiaient considérablement la manière dont nous pouvons étudier le fonctionnement, le développement et le vieillissement du cerveau.
Alex Fornito (à gauche) et James Pang ont étudié plus de 10 000 IRM pour déterminer l’importance de la forme du cerveau. Crédit : Monash University
« Ces travaux ouvrent des perspectives pour comprendre les effets de maladies telles que la démence et les accidents vasculaires cérébraux en prenant en compte des modèles de forme du cerveau, qui sont beaucoup plus faciles à traiter que les modèles de l’ensemble des connexions du cerveau », a déclaré le Dr Pang.
« Nous avons longtemps pensé que des pensées ou des sensations spécifiques déclenchaient une activité dans des parties spécifiques du cerveau, mais cette étude révèle que des modèles structurés d’activité sont excités dans la quasi-totalité du cerveau, de la même manière qu’une note de musique résulte de vibrations se produisant sur toute la longueur d’une corde de violon, et pas seulement sur un segment isolé », a-t-il ajouté.
L’équipe de recherche a utilisé l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour étudier les modes propres, qui sont les modèles naturels de vibration ou d’excitation dans un système, où différentes parties du système sont toutes excitées à la même fréquence. Les modes propres sont normalement utilisés pour étudier les systèmes physiques dans des domaines tels que la physique et l’ingénierie et n’ont été adaptés que récemment à l’étude du cerveau.
Ce travail s’est concentré sur le développement de la meilleure façon de construire efficacement les modes propres du cerveau.
« Tout comme les fréquences de résonance d’une corde de violon sont déterminées par sa longueur, sa densité et sa tension, les modes propres du cerveau sont déterminés par ses propriétés structurelles – physiques, géométriques et anatomiques – mais les propriétés spécifiques les plus importantes sont restées un mystère », a déclaré le co-auteur principal, le Dr Kevin Aquino, de BrainKey et de l’Université de Sydney.
L’équipe, dirigée par le professeur Alex Fornito, lauréat du Turner Institute et de la School of Psychological Sciences ARC, a comparé la capacité des modes propres obtenus à partir de modèles de la forme du cerveau à rendre compte de différents modèles d’activité par rapport aux modes propres obtenus à partir de modèles de la connectivité cérébrale.
« Nous avons constaté que les modes propres définis par la géométrie du cerveau – ses contours et sa courbure – représentaient la contrainte anatomique la plus forte sur la fonction cérébrale, un peu comme la forme d’un tambour influence les sons qu’il peut produire », a déclaré le professeur Fornito.
« À l’aide de modèles mathématiques, nous avons confirmé les prédictions théoriques selon lesquelles le lien étroit entre la géométrie et la fonction est régi par une activité ondulatoire se propageant dans tout le cerveau, tout comme la forme d’un étang influence les ondulations formées par la chute d’un caillou », a-t-il ajouté.
« Ces résultats soulèvent la possibilité de prédire la fonction du cerveau directement à partir de sa forme, ce qui ouvre de nouvelles voies pour explorer la façon dont le cerveau contribue aux différences individuelles dans le comportement et le risque de maladies psychiatriques et neurologiques. »
L’équipe de recherche a constaté que, sur plus de 10 000 cartes d’activité IRM, obtenues lorsque des personnes effectuaient différentes tâches mises au point par des neuroscientifiques pour sonder le cerveau humain, l’activité était dominée par des modes propres avec des motifs spatiaux ayant de très grandes longueurs d’onde, s’étendant sur des distances supérieures à 40 mm.
« Ce résultat va à l’encontre des idées reçues, selon lesquelles l’activité au cours de différentes tâches est souvent supposée se produire dans des zones focales et isolées d’activité élevée, et nous indique que les approches traditionnelles de la cartographie cérébrale ne montrent peut-être que la partie émergée de l’iceberg lorsqu’il s’agit de comprendre le fonctionnement du cerveau », a déclaré le Dr Pang.
Référence : « Geometric constraints on human brain function » par James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marianne Oldehinkel, Peter A. Robinson, Ben D. Fulcher, Michael Breakspear et Alex Fornito, 31 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1