Un signal cérébral unique peut être la clé de l’intelligence humaine

Les scientifiques qui explorent directement les neurones humains apprennent des choses remarquables.

  • La plupart des recherches sur le cerveau humain sont effectuées avec des cerveaux de rongeurs en supposant qu’elles peuvent également s’appliquer à nous.
  • Une étude inhabituelle a porté sur des tissus cérébraux humains récemment réséqués qui se sont révélés contenir de grosses surprises.
  • Les signaux électriques inattendus des neurones humains et leur comportement jettent un nouvel éclairage sur l’intelligence humaine.

Bien que des progrès soient réalisés, notre cerveau demeure l’organe de nombreux mystères. Parmi ceux-ci, le fonctionnement exact des neurones, dont le cerveau humain compte quelque 86 milliards. Les neurones sont reliés entre eux par des réseaux complexes et labyrinthiques à travers lesquels ils échangent des informations sous forme de signaux électriques. Nous savons que les signaux sortent d’un neurone individuel par une fibre appelée axone, et aussi que les signaux sont reçus par chaque neurone par des fibres d’entrée appelées dendrites.

La compréhension des capacités électriques des dendrites en particulier – qui, après tout, peuvent recevoir des signaux d’innombrables autres neurones à un moment donné – est fondamentale pour déchiffrer la communication des neurones. Vous serez peut-être surpris d’apprendre que tout ce que nous supposons sur les neurones humains est basé sur des observations faites sur des dendrites de rongeurs – il n’y a tout simplement pas beaucoup de tissu cérébral humain frais et encore fonctionnel disponible pour un examen approfondi.

Cependant, dans le cadre d’une nouvelle étude publiée le 3 janvier dans la revue Science, les scientifiques ont eu la rare chance d’explorer certains neurones de la couche externe du cerveau humain et ils ont découvert des comportements de dendrites étonnants qui pourraient être uniques aux humains et qui pourraient même aider à expliquer comment nos milliards de neurones traitent la quantité massive d’information qu’ils échangent.

Les signaux électriques s’affaiblissent avec la distance, ce qui pose une énigme à ceux qui cherchent à comprendre le cerveau humain : on sait que les dendrites humaines sont environ deux fois plus longues que les dendrites des rongeurs, ce qui signifie qu’un signal traversant une dendrite humaine pourrait être beaucoup plus faible en arrivant à destination qu’un signal traversant la dendrite beaucoup plus courte d’un rongeur. Selon le biologiste Matthew Larkum de l’Université Humboldt de Berlin, co-auteur de l’article, qui s’adressait à LiveScience, « S’il n’y avait pas de changement dans les propriétés électriques entre les rongeurs et les humains, cela signifierait que, chez les humains, les mêmes entrées synaptiques seraient un peu moins puissantes ». Un autre coup contre la valeur de la recherche humaine basée sur les animaux. La seule façon d’éviter cela est que les signaux échangés dans notre cerveau ne soient pas les mêmes que ceux d’un rongeur. C’est exactement ce que les auteurs de l’étude ont trouvé.

Les chercheurs ont travaillé avec du tissu cérébral coupé pour des raisons thérapeutiques dans le cerveau de patients atteints de tumeurs et d’épilepsie. Les neurones ont été réséqués des couches 2 et 3 du cortex cérébral, d’une épaisseur disproportionnée, une caractéristique propre à l’homme. Dans ces couches se trouvent des réseaux neuronaux incroyablement denses.

Mais sans oxygène transporté par le sang, ces cellules ne durent qu’environ deux jours. Le laboratoire de Larkum n’avait donc pas d’autre choix que de travailler 24 heures sur 24 pendant cette période pour obtenir le maximum d’informations à partir des échantillons. « Les tissus sont très peu fréquents, il faut donc travailler avec ce qui se trouve devant soi « , explique M. Larkum. L’équipe a fait des trous dans les dendrites dans lesquels ils pouvaient insérer des pipettes en verre. Ils y ont envoyé des ions pour stimuler les dendrites, ce qui a permis aux scientifiques d’observer leur comportement électrique.

Chez les rongeurs, deux types de pics électriques ont été observés dans les dendrites : un pic court, d’une durée d’un milliseconde, avec l’introduction du sodium, et des pics qui durent de 50 à 100 fois plus longtemps en réponse au calcium.

Chez les dendrites humaines, un type de comportement a été observé : des pics super courts se produisant en succession rapide, l’un après l’autre. Cela suggère aux chercheurs que les neurones humains sont  » nettement plus excitables  » que les neurones des rongeurs, ce qui leur permet de traverser avec succès nos dendrites plus longues.

De plus, les pics neuronaux humains – bien qu’ils se comportent un peu comme les pics des rongeurs provoqués par l’introduction du sodium – se sont avérés être générés par le calcium, essentiellement le contraire des rongeurs.

L’étude fait également état d’une deuxième conclusion importante. Cherchant à mieux comprendre comment le cerveau utilise ces pics, l’équipe a programmé des modèles informatiques en fonction de ses résultats. (Les tranches de cerveau qu’ils avaient examinées ne pouvaient pas, bien sûr, être réassemblées et mises en marche d’une manière ou d’une autre).

Les scientifiques ont construit des réseaux neuronaux virtuels, dont chacun des neurones pouvait être stimulé à des milliers de points le long de ses dendrites, pour voir comment chacun d’eux gérait autant de signaux d’entrée. Des recherches antérieures, non humaines, ont suggéré que les neurones additionnent ces signaux d’entrée, les conservant jusqu’à ce que le nombre de signaux d’entrée excitateurs dépasse le nombre de signaux inhibiteurs, moment où le neurone envoie la somme de ces signaux de son axone dans le réseau.

Cependant, ce n’est pas ce que l’équipe de Larkum a observé dans son modèle. La sortie des neurones était inverse à leurs entrées : Plus ils recevaient de signaux excitateurs, moins ils étaient susceptibles de s’activer. Chacun d’eux avait un « sweet spot » apparent quand il s’agissait de la puissance d’entrée.

Selon les chercheurs, les dendrites et les neurones pourraient être plus intelligents qu’on ne le croyait auparavant, traitant l’information d’entrée au fur et à mesure qu’elle arrive. Mayank Mehta de l’Université de Californie à Los Angeles, qui n’est pas impliqué dans la recherche, dit à LiveScience, « Il ne semble pas que la cellule ne fait qu’additionner des choses – elle jette aussi des choses ». Cela pourrait signifier que chaque neurone évalue la valeur de chaque signal pour le réseau et se débarrasse du « bruit ». Il se peut aussi que différents neurones soient optimisés pour différents signaux et donc tâches.

De la même façon que les pieuvres répartissent la prise de décision dans un système nerveux décentralisé, la nouvelle recherche implique que, du moins chez les humains, ce n’est pas seulement le réseau neuronal qui est intelligent, mais aussi tous les neurones individuels qu’il contient. Cela constituerait exactement le genre de surcharge informatique qu’on espère trouver quelque part dans l’étonnant cerveau humain.

Via Bigthink

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