les 11 dimensions de notre cerveau
Ce dernier modèle de cerveau a été produit par une équipe de chercheurs du Blue Brain Project, une initiative de recherche Suisse qui a pour objectif de créer un cerveau synthétique par processus de rétro-ingénierie : ce projet étudie donc l’architecture et les principes fonctionnels du cerveau.
L’équipe a utilisé la topologie algébrique, une branche des mathématiques utilisée pour décrire les propriétés des objets et des espaces, indépendamment de la manière dont ils changent de forme. Les chercheurs ont alors constaté que les neurones se connectaient en "groupes", et que le nombre de neurones dans un groupe entraînait l’augmentation de sa taille en tant qu’objet géométrique à haute dimension.
"Nous avons découvert un monde que nous n’avions jamais imaginé", explique le chercheur principal, Henry Markram, de l’EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) en Suisse. "Il y a des dizaines de millions de ces objets, même dans un tout petit bout de cerveau, à travers sept dimensions. Dans certains réseaux, nous avons même trouvé des structures possédant jusqu’à 11 dimensions", ajoute-t-il.
On estime que les cerveaux humains possèdent quelques 86 milliards de neurones, avec des connexions cellulaires multiples allant dans toutes les directions possibles, formant un vaste réseau cellulaire qui nous offre la possibilité d’avoir une conscience et de penser.
Avec un tel nombre de connexions possibles, il n’est pas étonnant que nous ne sachions pas encore tout du fonctionnement du réseau neuronal du cerveau. Mais les résultats de cette nouvelle études nous rapprochent gentiment du moment où nous pourrons avoir un modèle digital complet d’un cerveau humain.
Afin d’effectuer des tests mathématiques, l’équipe du Blue Brain Project a utilisé un modèle détaillé du néocortex (qu’ils avaient publié en 2015). Le néocortex correspond à la couche externe des hémisphères cérébraux et fait partie du cortex cérébral.
Il est impliqué dans les fonctions cognitives dites supérieures, comme les perceptions sensorielles, les commandes motrices volontaires, le raisonnement spatial, la conscience ou encore le langage. Après avoir développé leur cadre mathématique et avoir effectué des tests grâce à des stimuli virtuels, l’équipe a également confirmé ses résultats sur le tissu cérébral (réel) des rats.
Selon les chercheurs, la topologie algébrique fournit des outils mathématiques permettant de discerner des détails du réseau neuronal, à la fois dans une vue rapprochée (au niveau des neurones individuels), et également à une plus grande échelle de la structure du cerveau dans son ensemble.
C’est en reliant ces deux niveaux que les chercheurs ont pu discerner des structures géométriques de haute dimension dans le cerveau, formées par des collections de neurones étroitement connectés (groupes) et les espaces vides (cavités) les séparant. "Nous avons trouvé un nombre et une variété remarquablement élevés de groupes et de cavités de haute dimension, qui n’avaient pas été observées auparavant dans les réseaux de neurones biologiques ou artificiels", expliquent les chercheurs dans leur étude.
"La topologie algébrique est comme un télescope et un microscope, en même temps", explique la mathématicienne Kathryn Hess de l’EPFL, membre de l’équipe de recherche. "Cela permet de zoomer dans les réseaux pour trouver des structures cachées, comme les arbres dans une forêt, et voir les espaces vides, les clairières, tout cela en même temps", ajoute-t-elle.
Ces cavités (les clairières évoquées par la chercheuse), semblent avoir une importance vitale dans le fonctionnement du cerveau : en effet, lorsque les chercheurs ont stimulé leurs tissus cérébraux virtuels, ils ont vu que les neurones y réagissaient de manière hautement organisée. "C’est comme si le cerveau réagissait à un stimulus en construisant [et] puis en détruisant une tour de blocs multidimensionnels, en commençant par des tiges (1D), des planches (2D), puis des cubes (3D), puis des géométries plus complexes en 4D, 5D, etc. ", explique un membre de l’équipe, Ran Levi, de l’Université d’Aberdeen, en Écosse. « La progression de l’activité à travers le cerveau ressemble à un château de sable multidimensionnel qui se matérialise hors du sable, puis se désintègre », ajoute-t-il.
Les résultats de cette étude fournissent donc des informations complémentaires quant à nos connaissances en matière de fonctionnement du cerveau, notamment au niveau du traitement des informations. Les chercheurs soulignent cependant qu’il faudra encore des études complémentaires avant de pouvoir comprendre totalement comment se forment les groupes et les cavités, ainsi que pour en savoir plus sur la complexité de ces formes géométriques multidimensionnelles formées par nos neurones. Il est aussi question de comprendre comment est-ce que tous ces éléments sont en corrélation avec la complexité des diverses tâches cognitives.
Sources : Frontiers of Computational Neuroscience, EPFL
Huit semaines de méditation peuvent changer le cerveau
Huit semaines de méditation peuvent changer le cerveau
Les aires de matière grise
en relation avec la mémoire, l’empathie et le stress
se transforment de manière considérable
Ce n’est pas un groupe "new age" qui le dit, ni des amants de la pseudoscience ou de la fausse spiritualité, mais une équipe de psychiatres menée par l'Hôpital Général du Massachusetts, qui a réalisé la première étude qui documente sur le fait qu’exercer la méditation peut affecter au cerveau. Selon ses conclusions, publiées dans Psychiatry Research, la pratique d'un programme de méditation durant huit semaines peut provoquer des changements considérables dans les régions cérébrales relatives à la mémoire, l'autoconscience, l'empathie et le stress. C'est-à-dire, que quelque chose considéré comme spirituel nous transforme physiquement et peut améliorer notre bien-être et notre santé.
"Bien que la pratique de la méditation soit associée à une sensation de tranquillité et de relâchement physique, les médecins affirme depuis longtemps que la méditation fournit aussi des bénéfices cognitifs et psychologiques qui persistent toute la journée", explique la psychiatre Sara Lazar, une des auteures principales de l'étude. "Cette nouvelle étude démontre que les changements dans la structure du cerveau peuvent être derrière ces bénéfices démontrés, et que les gens ne se sentent pas mieux uniquement parce qu'ils se sont détendus", signale-t-elle.
Lazar avait déjà réalisé des études préalables dans lesquelles elle avait trouvé des différences structurelles entre les cerveaux des professionnels de la méditation, avec de l’expérience dans ce type de pratiques, et les individus sans antécédents, comme, par exemple, une plus grande grosseur de l'écorce cérébrale dans des aires associées à l'attention et l'intégration émotionnelle. Mais à ce moment-là, l'investigatrice n'a pas pu confirmer si ce processus avait été le fruit d’avoir seulement passé quelques moments à réfléchir.
Conscience sans à priori
Dans l’étude actuelle, les scientifiques ont pris des images par résonance magnétique de la structure cérébrale de 16 volontaires deux semaines avant et après avoir réalisé un cours de méditation de huit semaines, un programme pour réduire le stress, coordonné par l'Université du Massachusetts. En plus des réunions hebdomadaires, qui incluaient la pratique de la méditation consciente, qui se centre sur la conscience sans à priori de sensations et de sentiments, les volontaires ont reçu quelques enregistrements audio pour suivre leur entraînement chez eux.
Les participants du groupe de méditation ont passé 27 minutes chaque jour à pratiquer ces exercices. Leurs réponses à un questionnaire médical marquaient des améliorations significatives en comparaison des réponses avant le cours. L'analyse des images par résonance magnétique montre un développement de la densité de matière grise dans l'hippocampe, une zone du cerveau importante pour l'apprentissage et la mémoire, et dans des structures associées à l'autoconscience, la compassion et l'introspection. De plus, on a découvert une diminution de la matière grise dans l'amygdale cérébrale, un ensemble de noyaux de neurones localisés dans la profondeur des lobes temporels en relation avec une diminution relative du stress. Aucun de ces changements n'a été observé dans le groupe de contrôle formé par d'autres volontaires, ce qui démontre que ceux-ci n’ont pas été seulement le résultat du temps qui passe.
"C’est fascinant de voir la plasticité du cerveau et de comment, au moyen de la pratique de la méditation, nous pouvons jouer un rôle actif dans le changement du cerveau et augmenter ainsi notre bien-être et notre qualité de vie", dit Britta Hölzel, une des auteures principales de l'étude. Cette découverte ouvre les portes à de nouvelles thérapies pour des patients qui souffrent de graves problèmes de stress, comme ceux qui vivent un stress post-traumatique aigu après une mauvaise expérience.
J. de Jorge / Madrid
