Le cerveau trouve de l'ordre au cœur du chaos

Les neurones communiquent entre eux en émettant des impulsions rapides de signaux électriques appelés spikes. A première vue, la génération de ces spikes peut être très fiable: lorsqu'un neurone isolé reçoit de manière répétée la même impulsion électrique, nous trouvons le même schéma de spikes. Mais pourquoi, alors, l'activité des neurones corticaux fluctue-t-elle chez un animal vivant et paraît-elle donc aussi variable ?

Il y a deux raisons à cela. Premièrement, lors de la transmission d'un signal à un autre neurone, il arrive que le processus échoue, et ces échecs sont imprévisibles – c'est comme lancer un dé pour prendre une décision. «Nous estimons que les chances, pour un synapse situé entre deux neurones corticaux pyramidaux, de transmettre un signal chimique neurotransmetteur peuvent n'être que de 10%», explique le chercheur principal Max Nolte. Cette incertitude signifie qu'un neurone entendra le même message envoyé par des neurones connectés différemment à chaque fois.

Deuxièmement, lorsque les deux types fondamentaux de neurones corticaux (excitateurs et inhibiteurs) sont interconnectés dans un réseau, de faibles incertitudes dans les schémas d'activité se trouvent amplifiées. Cela conduit à des schémas imprévisibles, un comportement qu'on appelle chaos.

Ce contexte de bruit et de chaos suggère que les neurones corticaux individuels ne parviennent pas à trouver l'ordre et à envoyer des spikes fiables, aussi le cerveau doit-il faire une moyenne entre l'activité de nombreux neurones pour établir une certitude – soit écouter le chœur dans son ensemble plutôt que les chanteurs individuels.

La neuroscience de la simulation trouve la réponse

Les manipulations expérimentales requises pour démêler les sources de bruit dans le cerveau et évaluer leur impact sur l'activité neuronale sont impossibles à mener sur un animal in vivo, ou même dans des tissus cérébraux séparés in vitro. «Pour le moment, il n'est tout simplement pas possible de contrôler l'ensemble des milliers de stimuli venus de tout le cerveau sur un neurone in vivo, ni d'activer et de désactiver les différentes sources de bruit», précise Max Nolte. L'approximation la plus proche du tissu cortical à ce jour dans un modèle est la reconstruction numérique, détaillée sur le plan biologique, par le Blue Brain Project, du micro-circuit néocortical du rat (Cell, 2015). Ce modèle informatique a fourni la plate-forme idéale pour les chercheurs afin d'étudier jusqu'à quel degré les voix des neurones individuels peuvent être entendues, dans la mesure où il contient des modèles liés aux données de la transmission non-fiable de signaux entre neurones.

Au moyen de ce modèle, ils ont découvert que l'activité générée spontanément par les neurones interconnectés est fortement bruyante et chaotique, présentant des périodes de spikes très différentes à chaque répétition. «Nous avons étudié l'origine et la nature de la variabilité corticale interne au moyen d'un modèle de micro-circuit biophysique néocortical avec des sources de bruit biologiquement réalistes», révèle Max Nolte. «Nous avons observé que les signaux neurotransmetteurs non-fiables sont amplifiés par une dynamique de réseau récurrente qui provoque une mémoire du passé qui se dégrade rapidement – un océan de bruit et de chaos».

Des réponses fiables au milieu du bruit et du chaos

Mais bien sûr, le cerveau des mammifères n'est pas affecté par une mémoire qui décline rapidement. En fait, l'élément le plus fascinant peut-être dans ces découvertes est que les périodes de spikes qui étaient hautement non-fiables pendant l'activité spontanée sont devenues très fiables lorsque le circuit recevait des stimuli extérieurs. Ce phénomène ne résultait pas seulement d'un stimulus externe fort amenant les neurones à des réponses fiables. Même un signal thalamo-cortical faible pouvait brièvement amener le circuit à un régime de spikes d'activité hautement fiable. A ce stade, les interactions entre les neurones qui autrement amplifient l'incertitude et le chaos accroissent au contraire la fiabilité et permettent au cerveau de trouver l'ordre.

«Des stimuli thalamo-corticaux peuvent déclencher des périodes de spikes avec une précision de l'ordre de la milliseconde au milieu du bruit et du chaos», explique le fondateur et directeur du Blue Brain Project, le professeur Henry Markram. «De manière surprenante, nous avons pu démontrer que cet effet repose sur les neurones corticaux travaillant en équipe. Notre modèle montre donc que le bruit et le chaos dans les réseaux de neurones corticaux sont compatibles avec une activité de spikes fiable, permettant au cerveau de trouver l'ordre. Cette découverte suggère que l'activité hautement fluctuante des neurones corticaux chez l'animal vivant traduit l'ordre, et non le bruit et le chaos», conclut Henry Markram.