Comment le cerveau bascule entre différents comportements

Comment le cerveau bascule entre différents comportements

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Comment notre cerveau passe-t-il d’un comportement à l’autre ? Une nouvelle étude apporte désormais les premières réponses à cette question clé des neurosciences. En utilisant des souris, les chercheurs ont étudié l’activité électrique dans une certaine zone du cerveau. Les résultats ont ensuite été analysés à l’aide d’un algorithme informatique adaptatif. Cette intelligence artificielle a identifié un type d’empreinte digitale typique dans les signaux.

L’analyse de ce signal a permis aux chercheurs de prédire quel comportement les animaux adopteraient ensuite, deux secondes avant qu’ils n’effectuent réellement le changement. Les résultats ont maintenant été publiés dans la revue Neurosciences naturelles.

L'étude a été menée à la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), à la Clinique universitaire de Cologne et à l'Institut Max Planck de recherche sur le métabolisme.

Nous faisons des milliers de choses différentes chaque jour : nous téléphonons, nous écrivons des emails, nous mangeons, nous faisons du sport, nous nous brossons les dents. Comment notre cerveau parvient-il à basculer entre ces différents comportements ? Cette question fait actuellement l’objet d’intenses recherches en neurosciences. Si cette fonction centrale de notre cerveau ne fonctionne pas correctement, cela peut entraîner des troubles neuropsychiatriques majeurs, tels que l’hyperphagie boulimique, l’anorexie ou le trouble obsessionnel-compulsif.

Une certaine zone du cerveau joue un rôle important dans ces transitions : l’hypothalamus. Son rôle s’apparente à celui d’un contrôleur aérien. Il agit comme une plaque tournante où se rassemblent des informations importantes sur le corps : si nous avons faim, quelle est la température de notre corps, à quelle vitesse notre cœur bat.

Le reste du cerveau tient l’hypothalamus informé du monde extérieur. Sur la base de ces informations, l’hypothalamus régule les comportements innés tels que manger, explorer l’environnement ou interagir avec les autres. Mais comment fait-il ?

Pour répondre à cette question, un tandem de groupes de recherche dirigés par le professeur Alexey Ponomarenko de l'Institut de physiologie et de physiopathologie de la FAU et le professeur Tatiana Korotkova de la clinique universitaire de Cologne et du MPI pour la recherche sur le métabolisme ont combiné plusieurs techniques de pointe des neurosciences et des mathématiques.

Les chercheurs ont étudié l’hypothalamus chez la souris, car cette partie du cerveau est très similaire chez la souris et chez l’homme. “Nous avons utilisé l'IA pour analyser l'activité électrique dans une certaine région de l'hypothalamus”, explique la data scientist Mahsa Altafi, doctorante à la FAU.

Les premières découvertes ont révélé que l’hypothalamus oscille à un rythme appelé oscillation bêta. Les cellules nerveuses de l'hypothalamus sont particulièrement actives 20 fois par seconde, les niveaux d'activité chutant à nouveau entre ces pics. C'est comme un orchestre dans lequel tous les musiciens se concentrent sur la baguette du chef d'orchestre pour jouer à l'unisson.

Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que certaines cellules ne deviennent pas actives au contact, mais juste avant, de manière décalée. Ces cellules jouent une certaine mélodie. Et l’ordre des notes qu’ils jouent influence le morceau de musique que l’orchestre jouera ensuite. “La lecture du signal électrique nous permet de prédire sur quel comportement la souris passera deux secondes plus tard”, explique Altafi.

Mais que se passe-t-il si la mélodie décalée est supprimée ? Changwan Chen de l'Institut Max Planck de recherche sur le métabolisme et de la Clinique universitaire de Cologne a utilisé la lumière pour manipuler l'activité des neurones hypothalamiques.

L'effet a été surprenant : les souris sont restées bloquées dans leur comportement actuel jusqu'à ce que la lumière soit éteinte. Par exemple, ils interagissaient de manière persistante avec d’autres souris même si ces souris ne montraient aucun intérêt. “Il était frappant de voir avec quelle persistance une souris en état de transition inhibé interagissait avec une autre souris qui tentait d'éviter cette communication prolongée”, se souvient Chen.

La « mélodie décalée » semble mettre l'hypothalamus dans un état de transition, permettant ainsi aux animaux de passer à un autre comportement. Cependant, ce comportement ne dépend pas uniquement de l'hypothalamus.

Il s’avère que l’hypothalamus est instruit par le cortex préfrontal médial, une région responsable du contrôle cognitif du comportement. Par exemple, il examine quelle option est la meilleure dans une situation particulière. Dois-je manger ? Ou devrais-je plutôt interagir avec une autre souris, ou collecter de nouvelles expériences ?

Afin de communiquer avec l'hypothalamus, le cortex préfrontal médial oscille au rythme de l'hypothalamus, suivant l'oscillation bêta comme le bâton d'un chef d'orchestre. “Les signaux du cortex préfrontal aident l'hypothalamus à favoriser les transitions entre les comportements”, explique le professeur Korotkova de la clinique universitaire de Cologne.

“Il est particulièrement fascinant que l'hypothalamus commence une préparation à la transition entre les comportements environ deux secondes avant que cela ne se produise réellement. Il est probable que les souris ne soient même pas conscientes à ce stade qu'elles sont sur le point de passer à un comportement différent.”

“Nos résultats indiquent l'importance des oscillations bêta dans l'orchestration de l'activité de la myriade de neurones qui pilotent des comportements spécifiques et pour des transitions fluides entre eux”, déclare le professeur Ponomarenko.

“Ces résultats pourraient guider le développement de nouveaux médicaments et thérapies pour les troubles psychiatriques cérébraux graves. J'attends avec impatience le jour où les patients souffrant d'anorexie mentale ou de troubles obsessionnels compulsifs pourront en bénéficier.”

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