Repenser l'étude du cerveau
Jean-Paul Baquiast 22/03/2017
Carte des connections neuronales. Source. Article cité ici
Nous republions ici, avec l'accord de l'éditeur, l'article désigné ci-dessus. On retrouvera sur le site Theconversation l'article complet avec ses liens et ses illustrations.
Auparavant, nous voudrions présenter quelques réflexions sur le thème.
En simplifiant beaucoup, il faut constater que l'on retrouve là une question qui est toujours à l'arrière plan de tous les débats scientifiques: faut-il pour comprendre au mieux un phénomène, recourir à une approche globale aussi synthétique, ou à une approche analytique. Celle-ci étudie les détails du phénomène, qui risquent de disparaître dans l'approche synthétique. En mettant bout à bout ces détails, on peut espérer retrouver le phénomène, mais en éclairant plus complètement ses composantes.
L'approche synthétique a toujours été celle de la philosophie: qu'est-ce que l'esprit, l'intelligence voire l'âme? . Mais elle est aussi celle de tous les organismes vivants confrontés à des difficultés qu'ils doivent résoudre en urgence sans chercher à les comprendre en détail. Si je me trouve dans la forêt confronté à un carnivore menaçant, je dois constater la menace afin de la fuir sans chercher à savoir à quelle espèce appartient cet animal, et plus précisément s'il s'agit d'un mâle ou d'une femelle. Ceci dit, le danger évité, je peux utilement me poser la question du sexe de l'animal, afin de me demander si, selon l'espèce ou le sexe, il est plus ou moins dangereux: par exemple un mâle en quête de proie ou une femelle défendant ses petits.
Depuis des millénaires, les humains, dotés du langage, ont donné des noms aux phénomènes qu'ils observaient, et attaché à ces noms les grandes caractéristiques de ces phénomènes. Ceci afin d'obtenir et de transmettre une connaissance minimum. Ce faisant, dès qu'ils le pouvaient, ils observaient les détails visibles de ces phénomènes, ce qui leur permettaient d'en obtenir une représentation plus fidèle. Ils pratiquaient donc ainsi une approche analytique.
A partir de ces détails, ils étaient tentés d'aller plus loin dans l'analyse, afin de définir plus en profondeur l'objet observé: le mâle et la femelle, pour suivre notre exemple, se distinguant par le taille, le pelage, les détails de comportement. Pour approfondir encore, il fallait analyser plus complètement ces détails de comportement.
Le cerveau
Le langage transmettait ainsi non seulement l'information globale acquise sur le phénomène, mais le cas échéant les informations de détail en donnant des descriptions plus précises. Concernant le cerveau et son rôle dans le contrôle des comportements, une même approche synthético-analytique a toujours été pratiquée. Le cerveau est d'abord apparu comme commandant globalement l'état du corps, la mort du cerveau entraînant ainsi la mort du corps. De même, un comportement enfantin était associé à un cerveau en cours de développement, les adultes disposant, comme on pouvait l'observer dans une autopsie post mortem, d'un cerveau plus important en taille et en complexité.
Mais très vite, des analyses anatomique portant sur des cerveaux blessés ont permis d'associer telle aire cérébrale à tel comportement global. Ainsi, dans le cas célèbre de Phineas Gage (1823 - 1860), contremaître des chemins de fer victime d'une perforation crânienne ayant endommagé le cerveau mais qui avait survécu, il fut possible d'associer le trouble profonde de sa personnalité consécutif à la destruction d'une aire cérébrale précise. Par la suite, notamment dans le traitement des blessés de guerre ayant reçu des atteintes au cerveau, il fut possible de mieux préciser les troubles de comportement consécutifs à tel ou tel dommage identifié dans la boite crânienne et dans la partie du cerveau correspondant.
De proche en proche, par des observations anatomiques de plus en plus précises associées à l'observation des comportements correspondants, il fut ainsi possible d'identifier les aires spécifiques, par exemple les aires dites de Broca et Wernicke intervenant dans la compréhension et dans l'émission du langage. Mais les anatomistes furent dès le début conscients que ces aires définissaient des zones globales sans constituer des régions anatomiques et fonctionnelles uniformes. Le reste du cerveau intervenait aussi, d'une façon mal comprise. Il en fut ainsi progressivement des autres grandes fonctions du cerveau.
Aussi bien, très vite, les neurologues en arrivèrent à considérer que le cortex supérieur ou associatif mettait en relation, grâce notamment à des neurones à longue fibre, toutes les zones du cerveau internant dans le traitement des opérations complexes. Certains d'ailleurs en vinrent à penser que le cortex supérieur était le siège de la conscience. Mais très vite une étude plus approfondie des comportements associés à la conscience montrèrent qu'il n'en était rien.
La MRI
La multiplication enregistrée depuis une vingtaine d'années des techniques d'analyse fonctionnelle dites globalement MRI ou Magnetic resonance imaging, ou leurs variantes, a permis d'oberver avec de plus en plus de précision le rôle des fibres neuronales voire de neurones individuels s'activant dans telle ou telle aire cérébrale à l'exercice de telle ou telle fonction. Les observations de type analytique se sont ainsi multipliées, rendant de plus en plus difficiles des analyses synthétiques mettant en corrélation l'activité des neurones et le rôle du cerveau dans des fonctions complexes encore mal caractérisées telles que l'interprétation des messages sensoriels, l'apprentissage, l'intelligence voire la conscience.
Certes des scans du cerveau entier du cerveau à l'exercice de ses fonctions commencent à apparaître. Mais ils restent difficiles à interpréter et surtout ne permettent pas l'observation en profondeur. Celle-ci, dite stimulation cérébrale profonde, est une méthode invasive consistant à implanter des électrodes dans le cortex supérieur. On conçoit que les volontaires pour subir de telles expérimentations ne se précipitent pas.
L'article publié ci-dessous veut cependant montrer que des approches globales seront de plus en plus envisagées. Elles viseront à considérer le cerveau comme un réseau complexe interconnecté. Des perturbations introduites dans ce réseau, comme résultant de la prise d'une drogue telle que le LSD, pourraient alors être analysées comme des perturbations dans un réseau se traduisant par des perturbations dans le comportement global du sujet.
L'article, qui semble-t-il n'a pas été écrit par un spécialiste des réseaux numériques, ne précise pas assez comment une connaissance précise de tels réseaux et de leur comportement face à l'introduction de facteurs nouveaux pourrait renseigner, voire orienter, l'étude des comportements globaux du cerveau et de leurs perturbations. I
ll y aura là, on le devine, un champ immense pour la formulation et la vérification d'hypothèses originales. Mais les ressources disponibles pour ce faire sont rares. De plus elles sont en pratique très largement mobilisées par les gouvernements ou par des organisations (telles que Google) préparant la guerre dite de 4e génération 2.0 ou guerre psychologique utilisant les données et les réseaux.
The brain: a radical rethink is needed to understand it
Understanding the human brain is arguably the greatest challenge of modern science. The leading approach for most of the past 200 years has been to link its functions to different brain regions or even individual neurons (brain cells). But recent research increasingly suggests that we may be taking completely the wrong path if we are to ever understand the human mind.
The idea that the brain is made up of numerous regions that perform specific tasks is known as “modularity”. And, at first glance, it has been successful. For example, it can provide an explanation for how we recognise faces by activating a chain of specific brain regions in the occipital and temporal lobes. Bodies, however, are processed by a different set of brain regions. And scientists believe that yet other areas – memory regions – help combine these perceptual stimuli to create holistic representations of people. The activity of certain brain areas has also been linked to specific conditions and diseases.
The reason this approach has been so popular is partly due to technologies which are giving us unprecedented insight into the brain. Functional magnetic resonance imaging (fMRI), which tracks changes in blood flow in the brain, allows scientists to see brain areas light up in response to activities – helping them map functions. Meanwhile, Optogenetics, a technique that uses genetic modification of neurons so that their electrical activity can be controlled with light pulses – can help us to explore their specific contribution to brain function.
While both approaches generate fascinating results, it is not clear whether they will ever provide a meaningful understanding of the brain. A neuroscientist who finds a correlation between a neuron or brain region and a specific but in principle arbitrary physical parameter, such as pain, will be tempted to draw the conclusion that this neuron or this part of the brain controls pain. This is ironic because, even in the neuroscientist, the brain’s inherent function is to find correlations – in whatever task it performs.
But what if we instead considered the possibility that all brain functions are distributed across the brain and that all parts of the brain contribute to all functions? If that is the case, correlations found so far may be a perfect trap of the intellect. We then have to solve the problem of how the region or the neuron type with the specific function interacts with other parts of the brain to generate meaningful, integrated behaviour. So far, there is no general solution to this problem – just hypotheses in specific cases, such as for recognising people.
The problem can be illustrated by a recent study which found that the psychedelic drug LSD can disrupt the modular organisation that can explain vision. What’s more, the level of disorganisation is linked with the severity of the the “breakdown of the self” that people commonly experience when taking the drug. The study found that the drug affected the way that several brain regions were communicating with the rest of the brain, increasing their level of connectivity. So if we ever want to understand what our sense of self really is, we need to understand the underlying connectivity between brain regions as part of a complex network.
A way forward?
Some researchers now believe the brain and its diseases in general can only be understood as an interplay between tremendous numbers of neurons distributed across the central nervous system. The function of any one neuron is dependent on the functions of all the thousands of neurons it is connected to. These, in turn, are dependent on those of others. The same region or the same neuron may be used across a huge number of contexts, but have different specific functions depending on the context.
It may indeed be a tiny perturbation of these interplays between neurons that, through avalanche effects in the networks, causes conditions like depression or Parkinson’s disease. Either way, we need to understand the mechanisms of the networks in order to understand the causes and symptoms of these diseases. Without the full picture, we are not likely to be able to successfully cure these and many other conditions.
In particular, neuroscience needs to start investigating how network configurations arise from the brain’s lifelong attempts to make sense of the world. We also need to get a clear picture of how the cortex, brainstem and cerebellum interact together with the muscles and the tens of thousands of optical and mechanical sensors of our bodies to create one, integrated picture.
Connecting back to the physical reality is the only way to understand how information is represented in the brain. One of the reasons we have a nervous system in the first place is that the evolution of mobility required a controlling system. Cognitive, mental functions – and even thoughts – can be regarded as mechanisms that evolved in order to better plan for the consequences of movement and actions.
So the way forward for neuroscience may be to focus more on general neural recordings (with optogenetics or fMRI) – without aiming to hold each neuron or brain region responsible for any particular function. This could be fed into theoretical network research, which has the potential to account for a variety of observations and provide an integrated functional explanation. In fact, such a theory should help us design experiments, rather than only the other way around.
Major hurdles
It won’t be easy though. Current technologies are expensive – there are major financial resources as well as national and international prestige invested in them. Another obstacle is that the human mind tends to prefer simpler solutions over complex explanations, even if the former can have limited power to explain findings.
The entire relationship between neuroscience and the pharmaceutical industry is also built on the modular model. Typical strategies when it comes to common neurological and psychiatric diseases are to identify one type of receptor in the brain that can be targeted with drugs to solve the whole problem.
For example, SSRIs – which block absorption of serotonin in the brain so that more is freely available – are currently used to treat a number of different mental health problems, including depression. But they don’t work for many patients and there may be a placebo effect involved when they do.
Similarly, epilepsy is today widely seen as a single disease and is treated with anticonvulsant drugs, which work by dampening the activity of all neurons. Such drugs don’t work for everyone either. Indeed, it could be that any minute perturbation of the circuits in the brain – arising from one of thousands of different triggers unique to each patient – could push the brain into an epileptic state.
In this way, neuroscience is gradually losing compass on its purported path towards understanding the brain. It’s absolutely crucial that we get it right. Not only could it be the key to understanding some of the biggest mysteries known to science – such as consciousness – it could also help treat a huge range of debilitating and costly health problems.
Références
The brain: a radical rethink is needed to understand it
Auteur Henrik Jörntell
Senior Lecturer in Neuroscience, Lund University
https://theconversation.com/the-brain-a-radical-rethink-is-needed-to-understand-it-74460
Lund University https://theconversation.com/institutions/lund-university-756
