Le cerveau serait-il comme un tas de sable en formation ? Oui, à en croire un article paru dans la revue Nature. Car les deux partageraient une dynamique commune pour garder leur équilibre : des micro-avalanches localisées qui, de proche en proche peuvent aller jusqu’à remodeler l’organisation globale de l’objet – les influx nerveux jouant le rôle des grains de sable… Une étrange analogie que des chercheurs ont prouvé expérimentalement.

Dès lors le cerveau appartient au domaine physique des systèmes chaotiques dits “critiques auto-organisés“, ce qui donne une meilleure compréhension de la dynamique cérébrale et permet une approche plus physique de son fonctionnement.

 Un tas de sable s’effondre de manière très sophistiquée

Nous connaissons tous, pour avoir fréquenté des plages, la dynamique des tas de sable : quand on verse un mince filet de sable sur un tas déjà formé, les nouveaux grains s’accumulent d’abord au sommet (état “sur-critique”) jusqu’à ce que celui-ci s’effondre en une petite avalanche que les répartit localement sur les flancs, lesquels s’élargissent alors (état “sous-critique”) pour que le tas retrouve une stabilité.

Et si l’on continue à verser du sable, ces effondrements locaux donnent lieu à une cascade : les flancs surchargés s’effondrent également et provoquent d’autres avalanches qui finissent par atteindre la base de la pyramide et l’élargir. Un processus typique des systèmes critiques auto-organisés régi par une règle : la “loi de puissance“.

 Du tas de sable aux tortues de Floride

Celle-ci impose qu’une avalanche survienne d’autant plus fréquemment que son intensité ou étendue est petite – une manière de dire que plusieurs petits effondrements précèdent ou causent un grand. Or selon des physiciens de l’Université Washington (Missouri) et de l’université de l’Arkansas, le cerveau se comporterait de cette manière avec les informations reçues de l’extérieur, traduites en influx nerveux.

Concrètement, les chercheurs ont menés des expériences sur les cerveaux de 9 tortues de Floride (Trachemys scripta elegans) anesthésiées dans lesquelles ils avaient implanté des électrodes. Celles-ci étaient destinées à mesurer l’activité de leur aire visuelle périphérique, celle qui traite en premier les signaux venant des yeux. A chaque test, l’un des yeux de la tortue était soumis à des stimuli visuels (films).

 La décharge des neurones est chaotique

Les chercheurs ont alors constaté que face à des images complexes (formes, contrastes, etc.), il se déclenche dans la couche de l’aire visuelle étudiée des cascades d’influx nerveux qui suivent une loi de puissance – signant par-là la dynamique d’un système critique auto-organisé.

Cela s’expliquerait par la caractéristique des neurones : chacun “emmagasine” un certain nombre d’influx venant de ses voisins avant d’en déclencher un. Leur état de “charge” individuelle rend l’ensemble du réseau un peu instable : un train d’influx venant de l’extérieur peut engendrer aussi bien une petite avalanche d’influx autour des neurones récepteurs qu’une cascade se propageant de proche en proche sur une large partie de la couche, voire sur son ensemble.

 Le “cerveau – tas de sable”

Les chercheurs ont doublé leur expérience d’une simulation de réseau neuronal basé sur leur modèle du “cerveau – tas de sable”, lequel s’est comporté exactement comme celui des tortues… Finalement, c’est un mécanisme qu’on suppose assez général dans les cerveaux, des tortues aux humains, qui pourrait inspirer les spécialistes du cerveau, voire ceux de l’intelligence artificielle toujours en quête de nouvelles inspirations pour leurs machines.

Román Ikonicoff

 

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• La science sait lire dans les pensées – S&V n°1098 – 2009. C’est dans la décennie 2000 que sont apparus les premiers résultats sur la reconstruction des pensées via le captage des signaux cérébraux, en particulier des images vues par l’individu.

• C’est parti pour la télépathie high-tech ! – S&V n°1054 – 2005. Il y a 10 ans déjà les premières expériences d’interface cerveau-machine permettaient d’anticiper ce que les progrès en imagerie cérébrale et en traitement statistique des signaux permettrait de faire. L’idée de communiquer ses pensées sans les vocaliser apparaissait comme l’objectif recherché.

• Cerveau : voici la première carte de nos idées – S&V n°1146 – 2013. La connaissance sur l’écosystème cérébral ne cesse de progresser, notamment grâce au mariage entre les système d’imagerie et l’analyse statistique numérique. Au point de pouvoir  tracer la carte de nos idées.

Des chercheurs coréens et américains ont reproduit pour la première fois un micro-placenta en laboratoire, qu’ils baptisent « puce de placenta ». Il permettra de mieux comprendre le fonctionnement de cet organe vital pour le fœtus.

Le placenta, cet organe relié au cordon ombilical qui nourrit et oxygène le fœtus tout au long de son développement dans l’utérus, reste aujourd’hui encore mal compris des biologistes. Fabriqué au début de la grossesse, il sera expulsé à l’accouchement. Du coup, sa nature temporaire oblige les scientifiques à l’étudier pendant cette fenêtre de neuf mois, alors même que le placenta est indispensable à la vie du bébé… ce qui rend très compliquée toute expérience.

Ainsi, la plupart des recherches sont menées soit sur les animaux de laboratoire (souris, rats et autres mammifères), soit sur des cultures de cellules. Problème : la complexité du placenta est difficile à reproduire sur ces cultures cellulaires.

Par conséquent, son fonctionnement n’est pas connu dans les détails. Comment les cellules placentaires peuvent-elles transmettre au sang du bébé l’oxygène et le sucre produits par le corps de la mère, tout en le nettoyant des toxines et autres déchets, et en empêchant les virus et les bactéries de le contaminer ?

Dans une matrice de polymère, des cellules maternelles et fœtales ont été cultivées pour reproduire la micro-structure du placenta

Toutes ces questions pourraient bientôt être éclairées par l’invention d’un groupe de chercheurs des Etats-Unis et de Corée du Sud : le « placenta sur puce » (« placenta on a chip » en anglais). Il reproduit, dans un support en polymère mou de quelques centimètres de long, la structure des tissus placentaires à l’échelle microscopique. D’un côté, un tapis de cellules maternelles, de l’autre de cellules fœtales, séparent le sang du fœtus de celui de sa mère.

Pour fabriquer cette puce, l’équipe a eu recours à une technique appelée « lithographie molle » en utilisant un support en polymère souple, le polydiméthylsiloxane, dans lequel ils ont creusé deux petits canaux. Au milieu, ces canaux sont séparés par une membrane formée de matrice extracellulaire (le matériel amorphe qui entoure les cellules dans le corps). Sur l’une de ses faces, les biologistes ont déposé des cellules maternelles (des trophoblastes) et sur l’autre, des cellules endothéliales fœtales prélevées sur un cordon ombilical.

En faisant passer des nutriments en flux continu dans ce dispositif, les chercheurs ont obtenu que ces cellules commencent à croître, jusqu’à tapisser toute la surface des deux canaux, les cellules maternelles étroitement adossées à celles du fœtus. A ce moment là, ils ont fait circuler du sang dans les deux canaux… puis ont testé si ce micro-placenta fonctionnait correctement.

La preuve qu’il fonctionne ? Ils ont fait passer du glucose (le nutriment le plus répandu dans le sang, un sucre issu de la dégradation des hydrates de carbone) du sang de la mère au sang du fœtus. Et ça a marché ! Les cellules du canal maternel transmettaient correctement ce sucre aux cellules du canal fœtal, qui le relâchaient ensuite dans la circulation sanguine du fœtus. Et ce, avec le même taux de transport qu’observé in vivo, chez de vrais bébés.

Grâce à leur puce à placenta, les chercheurs espèrent améliorer les expériences, visant par exemple à vérifier si des substances passent de la mère au bébé, ou simplement à mieux comprendre les mécanismes à l’œuvre dans cet organe vital. En plus d’être plus fiable que les autres systèmes in vitro élaborés jusqu’ici, la puce à placenta est aussi plus simple d’usage et moins coûteuse que les animaux de laboratoire. Elle promet de faire évoluer rapidement les connaissances !

— Fiorenza Gracci.

 

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