Comment naissent les oscillations cérébrales ?

Des vagues d’activité neuronale synchronisée et coordonnée sont observées et étudiées dans le cerveau depuis plus d’un siècle. Mais pour la première fois, des chercheurs de Yale ont identifié l’endroit où un certain type d’activité, appelé activité gamma, apparaît et l’ont relié au comportement.

En développant une nouvelle approche beaucoup plus précise pour mesurer cette activité, les chercheurs ont surmonté les défis majeurs qui limitaient la compréhension des scientifiques sur le rôle que jouent ces ondes dans le traitement de l’information et l’initiation des comportements. Les résultats sont publiés dans Nature.

Mais Jessica Cardin, Ph.D., professeure Gordon M. Shepherd de neurosciences à la Yale School of Medicine et auteur principal de l’étude, n’avait pas l’intention d’étudier ce type d’activité cérébrale. Elle a travaillé sur les ondes gamma en tant que postdoctorante et, grâce à ces travaux, a montré pour la première fois qu’il était possible d’initier artificiellement ces ondes dans le cerveau. Mais le problème était que ce qu’elle appelle « l’expérience parfaite » n’est pas vraiment possible avec ces rythmes d’activité.

La façon de déterminer ce que quelque chose comme les ondes gamma ou, disons, un gène ou une protéine particulière, fait dans le cerveau, est de le briser et de voir ce qui se passe. Vous faites taire ce gène et voyez comment cela affecte le comportement, par exemple.

“Le problème est, et a toujours été, que pour quelque chose comme une oscillation ou un modèle d’activité, vous ne pouvez vraiment pas l’éteindre sans affecter tout le circuit cérébral environnant”, explique Cardin, qui est également membre de l’Institut Wu Tsai de Yale. “Alors, quand j’ai créé mon propre laboratoire, je pensais que nous ne travaillerions jamais dans ce domaine.”

Mais ensuite, l’un de ses postdoctorants, Quentin Perrenoud, Ph.D., premier auteur de l’étude, lui a montré des données intrigantes qu’il avait collectées en essayant de suivre le flux d’informations dans le cerveau pendant qu’une tâche était entreprise. Il semblait que les ondes gamma pouvaient prédire le comportement. Ils ont donc suivi la science et leurs découvertes ont bouleversé la manière dont les scientifiques réfléchissaient à la manière dont ces ondes émergent dans le cerveau.

“Ce n’est pas une expérience tout à fait parfaite, mais c’est beaucoup plus proche d’une expérience parfaite que ce que nous avons jamais pu obtenir”, explique Cardin.

L’activité gamma émerge des interactions entre le thalamus et le cortex

Pour cette étude, les chercheurs ont développé une nouvelle approche pour mesurer les ondes gamma. Alors que l’on pensait autrefois que ces oscillations étaient continues, ressemblant beaucoup à une onde sonore avec un motif ininterrompu de pics et de creux, des recherches plus récentes ont montré que l’oscillation n’est pas tout à fait continue mais peut se produire par petites rafales.

Poursuivant cette idée, les chercheurs ont enregistré l’activité cérébrale dans 16 sites différents du cortex visuel – la partie du cerveau qui traite la vue – afin d’avoir un aperçu beaucoup plus détaillé des aspects spatiaux et temporels de l’activité gamma. Ensuite, ils ont décomposé ces données en événements individuels, un peu comme le cycle pic-creux-pic d’une vague.

Si l’activité gamma était réellement une oscillation, alors la combinaison de chacun de ces événements individuels devrait ressembler à une onde continue qui traverse chacun des endroits où les chercheurs ont enregistré.

“Mais il s’est avéré que ces événements peuvent se produire ensemble, ou par petites rafales, ou tout seuls”, explique Cardin. “Ils ne se produisent pas dans une longue séquence.”

Cette approche, que les chercheurs ont baptisée CBASS (Clustering Band-limited Activity by State and Spectrotemporal feature), offre un niveau de sensibilité bien supérieur aux autres techniques d’étude de l’activité gamma.

“Cela nous permet d’obtenir un timing très précis et d’identifier clairement ces événements courts, ce qui signifie que nous pouvons les cartographier avec une grande précision lors de moments intéressants, comme lorsqu’un animal prend une décision”, explique Cardin. “Cela signifie que nous pouvons mapper les événements cérébraux sur le comportement de l’animal avec plus de précision que jamais auparavant.”

En ce qui concerne l’endroit où se produit l’activité gamma, il existe deux écoles de pensée. De nombreuses preuves disponibles soutiennent l’idée selon laquelle l’activité gamma est générée dans le cortex.

Mais certaines recherches suggèrent que le cortex hérite de l’activité ailleurs dans le cerveau, par exemple du thalamus, qui envoie de nombreuses informations sensorielles et motrices au cortex.

“Avec cette nouvelle méthode, nos données suggèrent que les deux sont fausses et que cette activité est due à une interaction” entre “le thalamus et le cortex. Le gamma apparaît dynamiquement lorsque le thalamus envoie une entrée au cortex, où elle est ensuite amplifiée”, explique Cardin.

La perturbation des signaux du thalamus affecte le comportement

La précision du CBASS donne également aux chercheurs cette capacité très recherchée de briser le système, de perturber ces schémas d’activité d’une manière qui n’affecte pas l’ensemble du cerveau.

Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord entraîné des souris à une tâche visuelle dans laquelle elles recevaient une récompense si elles léchaient une trombe marine uniquement lorsqu’un certain stimulus visuel était affiché. Ensuite, les chercheurs ont perturbé les signaux envoyés par le thalamus au cortex, ce qui, à son tour, a perturbé l’activité gamma dans le cortex.

Cette perturbation du gamma a rendu les souris bien moins performantes dans la tâche visuelle. Les chercheurs ont alors adopté l’approche inverse et déclenché artificiellement l’activité gamma.

“Nous avons enregistré l’activité gamma de souris qui détectaient le stimulus visuel, puis l’avons retransmise dans le cerveau d’autres souris. Et lorsque nous avons fait cela, cela a fait croire aux souris qu’elles avaient détecté un stimulus”, explique Cardin.

Ensemble, les résultats indiquent que l’activité gamma dans le cortex soutient l’intégration des informations visuelles et est impliquée dans les réponses comportementales qui émergent de cette intégration. Et c’est une information importante à avoir, car des études ont montré que ce type d’activité est altéré chez les personnes souffrant de troubles neurodéveloppementaux, de schizophrénie et de trouble bipolaire, ainsi que de maladies neurodégénératives.

Le laboratoire de Cardin étudie actuellement si l’activité gamma dans le cortex pourrait être utilisée comme biomarqueur précoce pour des maladies comme la maladie d’Alzheimer.

L’acétylcholine et la noradrénaline, molécules de signalisation clés dans le thalamus et le cortex, sont étroitement liées à la cognition et perdues dans les maladies neurodégénératives. Ces signaux neuromodulateurs sont connus pour réguler le modèle d’activité cérébrale.

“Nous commençons à examiner comment les signaux neuromodulateurs sont associés à ces événements gamma et nous appliquerons nos outils pour mieux comprendre la séquence des problèmes liés à la neurodégénérescence”, explique Cardin.

“Cela pourrait conduire à un biomarqueur précoce interprétable de la maladie d’Alzheimer et facilement accessible chez l’homme.”