Le flux d’électricité dans le cerveau humain peut être prédit à l’aide des mathématiques simples des réseaux, révèle une nouvelle étude

Grâce à un vaste réseau de fibres nerveuses, des signaux électriques voyagent constamment à travers le cerveau. Cette activité compliquée est ce qui donne finalement lieu à nos pensées, nos émotions et nos comportements, mais aussi éventuellement à des problèmes de santé mentale et neurologiques lorsque les choses tournent mal.

La stimulation cérébrale est un traitement émergent pour ces troubles. Stimuler une région de votre cerveau avec des impulsions électriques ou magnétiques déclenchera une cascade de signaux à travers votre réseau de connexions nerveuses.

Cependant, pour le moment, les scientifiques ne savent pas exactement comment ces cascades se propagent pour avoir un impact sur l’activité de votre cerveau dans son ensemble – une pièce manquante importante qui limite les avantages des thérapies de stimulation cérébrale.

Dans nos dernières recherches, publiées dans Neurone le 7 mars, nous avons découvert que la propagation de la stimulation cérébrale peut être prédite à l’aide des mathématiques des réseaux.

Suivi des signaux électriques dans le cerveau

Étudier la communication dans le cerveau humain est difficile. En effet, les signaux électriques se déplacent très rapidement, à l’échelle du millième de seconde, entre une partie du cerveau et une autre.

Pour compliquer les choses, les signaux sont communiqués via un réseau incroyablement complexe de fibres nerveuses qui relie toutes les régions du cerveau. Ces problèmes empêchent même les scientifiques d’observer des signaux traversant le cerveau.

Cependant, dans des circonstances très particulières et contrôlées, nous pouvons utiliser des électrodes invasives pour suivre précisément la propagation des signaux cérébraux. Les électrodes invasives sont des instruments insérés chirurgicalement dans le cerveau de patients consentants.

Il est important de souligner que ce type de procédure invasive ne peut être pratiqué que dans des circonstances très particulières, lorsque l’objectif principal est d’aider les patients. Dans notre cas, les patients étaient des personnes souffrant d’épilepsie sévère. Lorsque les patients épileptiques ne répondent pas aux médicaments, ils peuvent choisir d’utiliser des électrodes pour aider les médecins à en savoir plus sur ce qui pourrait se passer dans leur cerveau.

Notre étude était basée sur un grand groupe de 550 patients épileptiques volontaires dans plus de 20 hôpitaux en Amérique du Nord, en Asie et en Europe.

Les électrodes permettent de stimuler doucement une zone du cerveau avec une impulsion électrique et, en même temps, d’enregistrer l’activité cérébrale du patient. Nous avons utilisé les données d’électrodes placées dans différentes positions du cerveau pour suivre la communication des impulsions électriques d’une région à l’autre.

Comme dernier ingrédient de notre étude, nous avons utilisé des IRM pour reconstruire le réseau de fibres nerveuses du cerveau humain, connu sous le nom de connectome. Cela nous a donné un modèle du câblage physique par lequel les signaux électriques sont communiqués dans le cerveau.

Les mathématiques de la communication en réseau

Alors, comment les signaux sont-ils communiqués via le câblage complexe du connectome ?

Une possibilité simple est que les signaux voyagent via les chemins les plus directs du connectome. En termes de réseau, cela signifierait qu’une impulsion électrique va d’une région à une autre via le chemin le plus court des régions intermédiaires entre elles.

Une autre idée est que les signaux se propagent via la diffusion du réseau. Pour comprendre cela, pensez à la façon dont l’eau s’écoulerait dans un réseau de tuyaux.

Chaque fois que l’eau atteint une jonction du réseau, le flux se divise selon des chemins divergents. Plus de jonctions le long du parcours de l’eau signifie plus de divisions, et le débit le long d’un chemin donné devient plus faible. Cependant, si certains des chemins divergents se rejoignent en aval, la force de l’écoulement augmente à nouveau. Dans cette analogie, toutes les connexions (tuyaux) du réseau contribuent à façonner le flux de signal (eau), pas seulement celles le long du chemin le plus direct.

Ce que nous avons trouvé

Ces deux types de communication par réseau – chemins les plus courts contre flux diffusif – sont deux hypothèses concurrentes pour expliquer comment les signaux électriques cascadent à travers le câblage du connectome après une stimulation cérébrale. Aujourd’hui, les scientifiques ne savent pas quelle hypothèse correspond le mieux à ce qui se passe dans le cerveau.

Notre étude est l’une des premières à tenter de trancher ce débat. Pour ce faire, nous nous sommes demandé si les chemins les plus courts ou la diffusion prédisaient le mieux la propagation du signal électrique, telle que mesurée par les électrodes dans le cerveau des patients.

Après avoir analysé les données, nous avons trouvé des preuves à l’appui de l’hypothèse du flux diffusif. Cela signifie que beaucoup plus de connexions nerveuses, par rapport à celles qui voyagent le long des chemins les plus courts, façonnent la façon dont la stimulation cérébrale se propage dans le connectome.

Il s’agit d’informations importantes pour les scientifiques, car elles nous aident à comprendre comment le câblage physique des connexions nerveuses contribue à l’activité et au fonctionnement du cerveau.

Et après?

Notre étude est l’une des premières du genre et d’autres travaux sont nécessaires pour confirmer ce que nous avons trouvé. Nous espérons que les progrès dans notre compréhension de la communication cérébrale aideront également les cliniciens à concevoir de meilleurs traitements de stimulation cérébrale pour les problèmes de santé mentale.

La stimulation cérébrale peut aider à “rétablir” la communication défectueuse entre les régions du cerveau. Par exemple, la stimulation non invasive (effectuée à l’extérieur du crâne et sans intervention chirurgicale) est un traitement du trouble dépressif majeur disponible en Australie.

Dans nos futures recherches, nous étudierons si les découvertes rapportées ici peuvent être utilisées pour améliorer le bénéfice thérapeutique de ces traitements de stimulation cérébrale.