Une nouvelle étude propose une hypothèse appelée « couplage cytoélectrique », selon laquelle les champs électriques du cerveau, créés par l’activité du réseau neuronal, peuvent influencer la configuration physique des composants subcellulaires des neurones afin d’optimiser la stabilité et l’efficacité du réseau. La recherche, menée par des scientifiques du MIT, de la City University of London et de la Johns Hopkins University, s’appuie sur des études antérieures qui ont montré comment l’activité électrique rythmique ou « ondes cérébrales » dans les réseaux neuronaux et l’influence des champs électriques au niveau moléculaire peuvent coordonner et ajuster les fonctions cérébrales, facilitant ainsi une cognition flexible.
Les ondes cérébrales sont des vecteurs d’information. L’hypothèse du « couplage cytoélectrique », récemment proposée, suggère que ces champs électriques ondulants contribuent à optimiser l’efficacité et la robustesse du réseau cérébral. Pour ce faire, ils influencent la configuration physique de la structure moléculaire du cerveau.
Pour mener à bien ses multiples fonctions, dont la pensée, le cerveau opère à différents niveaux. Les informations telles que les objectifs ou les images sont représentées par une activité électrique synchronisée entre les réseaux neuronaux. Simultanément, une combinaison de protéines et d’autres substances biochimiques à l’intérieur et autour de chaque neurone exécute physiquement les mécanismes nécessaires à la participation à ces réseaux.
Un nouvel article rédigé par des chercheurs du MIT, de la City University of London et de la Johns Hopkins University postule que les champs électriques du réseau influencent la configuration physique des composants subcellulaires des neurones afin d’optimiser la stabilité et l’efficacité du réseau, une hypothèse que les auteurs appellent « couplage cytoélectrique ».
Earl K. Miller présente ses récents travaux à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire. Crédit : Institut Picower du MIT
« Les informations traitées par le cerveau jouent un rôle dans le réglage fin du réseau jusqu’au niveau moléculaire », a déclaré Earl K. Miller, professeur à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire du MIT, coauteur de l’article publié dans Progress in Neurobiology avec le professeur associé Dimitris Pinotsis du MIT et de la City-University of London, et le professeur Gene Fridman de l’Université Johns Hopkins.
« Le cerveau s’adapte à un monde en mutation », explique Pinotsis. « Ses protéines et ses molécules changent également. Elles peuvent avoir des charges électriques et doivent rattraper les neurones qui traitent, stockent et transmettent des informations à l’aide de signaux électriques. Il semble donc nécessaire d’interagir avec les champs électriques des neurones. »
Penser en champs
L’un des principaux axes de travail du laboratoire de M. Miller consiste à étudier comment des fonctions cognitives de haut niveau, telles que la mémoire de travail, peuvent émerger rapidement, avec souplesse et de manière fiable, de l’activité de millions de neurones individuels. Les neurones sont capables de former des circuits de manière dynamique en créant et en supprimant des connexions, appelées synapses, ainsi qu’en renforçant ou en affaiblissant ces jonctions. Mais cela ne constitue qu’une « feuille de route » autour de laquelle l’information peut circuler, a expliqué M. Miller.
Les circuits neuronaux spécifiques qui représentent collectivement une pensée ou une autre, selon Miller, sont coordonnés par une activité rythmique, plus familièrement connue sous le nom d' »ondes cérébrales » de différentes fréquences.
Les rythmes « gamma » rapides aident à transmettre les images de notre vision (par exemple, un muffin), tandis que les ondes « bêta » plus lentes peuvent véhiculer nos pensées plus profondes sur cette image (par exemple, « trop de calories »). Le laboratoire de M. Miller a montré que des rafales de ces ondes, correctement synchronisées, peuvent véhiculer des prédictions, permettre d’écrire, de conserver et de lire des informations dans la mémoire de travail.
Elles s’interrompent également lorsque la mémoire de travail s’effondre. Le laboratoire a rapporté des preuves que le cerveau pourrait manipuler distinctement les rythmes dans des lieux physiques spécifiques afin d’organiser davantage les neurones pour une cognition flexible, un concept appelé « calcul spatial ».
D’autres travaux récents du laboratoire ont montré que si la participation des neurones individuels au sein des réseaux peut être inconstante et peu fiable, l’information véhiculée par les réseaux dont ils font partie est représentée de manière stable par les champs électriques globaux générés par leur activité collective.
Couplage cytoélectrique
Dans la nouvelle étude, les auteurs combinent ce modèle d’activité électrique rythmique coordonnant les réseaux neuronaux avec d’autres sources de données indiquant que les champs électriques peuvent influencer les neurones au niveau moléculaire.
Les chercheurs ont par exemple étudié le couplage éphaptique, dans lequel les neurones influencent leurs propriétés électriques mutuelles via la proximité de leurs membranes, plutôt que de s’appuyer uniquement sur les échanges électrochimiques à travers les synapses. Cette diaphonie électrique peut affecter les fonctions neuronales, notamment le moment et l’opportunité des pics pour relayer les signaux électriques à d’autres neurones dans un circuit.
Miller, Pinotsis et Fridman citent également des recherches montrant d’autres influences électriques sur les cellules et leurs composants, notamment la façon dont le développement neuronal est guidé par les champs et dont les microtubules peuvent être alignés par eux.
Si le cerveau transporte des informations dans des champs électriques et que ces champs électriques sont capables de configurer les neurones et d’autres éléments du cerveau qui forment un réseau, alors le cerveau est susceptible d’utiliser cette capacité. Les auteurs suggèrent que le cerveau peut utiliser les champs pour s’assurer que le réseau fait ce qu’il est censé faire.
Pour le dire en termes simples, le succès d’un réseau de télévision ne tient pas seulement à sa capacité à transmettre un signal clair à des millions de foyers. Ce qui est également important, ce sont les détails, comme la façon dont chaque foyer de téléspectateurs dispose son téléviseur, son système audio et le mobilier de son salon pour maximiser l’expérience. Dans cette métaphore comme dans le cerveau, a expliqué M. Miller, la présence du réseau motive les participants individuels à configurer leur propre infrastructure pour participer de manière optimale.
« Le couplage cytoélectrique relie les informations aux niveaux méso et macroscopique jusqu’au niveau microscopique des protéines qui constituent la base moléculaire de la mémoire », écrivent les auteurs dans l’article.
L’article expose la logique qui inspire le couplage cytoélectrique. « Nous proposons une hypothèse que tout le monde peut tester », a déclaré M. Miller.
Référence : « Cytoelectric coupling : Electric fields sculpt neural activity and « tune » the brain’s infrastructure » par Dimitris A. Pinotsis, Gene Fridman et Earl K. Miller, 18 mai 2023, Progress in Neurobiology.
DOI: 10.1016/j.pneurobio.2023.102465
L’étude a été financée par le United Kingdom Research and Innovation (UKRI), le U.S. Office of Naval Research, la JPB Foundation et le Picower Institute for Learning and Memory.