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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• Les cultures d’organes vont révolutionner les greffes – S&V n°1116 – La médecine régénérative promet des miracles, maintenant que des organes ont pu être « cultivés » sur une matrice naturelle, puis implantés avec succès… chez les rongeurs.

 

 

Les images ont été prises en septembre 2014, lorsque la sonde Rosetta faisait du rase-mottes à moins de 20 kilomètres de la surface de la comète Churyumov-Gerasimenko. A ce moment là, distante de cinq cents millions de kilomètres du Soleil, le petit astre était peu actif, et sa surface, glacée.
La sonde européenne a alors photographié la surface de Churyumov-Gerasimenko avec une résolution – un niveau de détails – jamais atteinte pour une comète… Première constatation des chercheurs : la surface de la comète est extrêmement sombre, les spécialistes disent que son albédo est de 0,04, ce qui signifie qu’elle reflète seulement 4 % de la lumière qui l’éclaire, autant dire que la comète est noire comme du charbon…
Mais dans ce paysage crépusculaire, Rosetta a photographié plus d’une centaine de taches blanches, mesurant quelques mètres tout au plus, isolées ou rassemblées en groupes de quelques dizaines, couvrant quelques centaines de mètres-carrés…
De la glace d’eau.

Les chercheurs ont ensuite réalisé que ces plaques de glace recouvraient le plus souvent des blocs rocheux, amoncelés au pied de falaises. Ces falaises portant ombre sur ces blocs glacés, et la grande distance de la comète au Soleil, expliquent, selon les chercheurs, que cette glace ne s’est pas, en tout cas pas encore, sublimée. Pour les chercheurs européens, cette glace témoigne de l’activité de la comète Churyumov-Gerasimenko lors de son dernier passage auprès du Soleil, en 2009. A ce moment là, le violent dégazage de la comète chauffée par le Soleil aurait provoqué des éboulements de terrain, et mis à jour, sous la croûte de poussière très noire de la surface, cette glace du sous-sol.
Dans les mois qui viennent, Rosetta va étudier la surface de la comète, et probablement révéler de nouveaux bouleversements de son paysage miniature. Sans doute, parmi les geysers s’échappant de la surface, la sonde européenne verra t-elle des blocs rocheux de plusieurs mètres, lévitant littéralement au dessus de la comète, avant de se poser dans une irréelle lenteur.

La comète Churyumov-Gerasimenko nous offre des paysages de science-fiction, où vallées et montagnes se mêlent, sans haut ni bas, dans un indescriptible chaos… La mission Rosetta, l’une des plus grandes réussites de l’histoire de l’exploration du système solaire, est à la hauteur, et les scientifiques européens l’ont bien compris, qui préparent à Rosetta un grand final surréaliste : en 2016, pendant que la comète s’éloignera dans le système solaire, les ingénieurs rapprocheront progressivement leur sonde, et elle se posera doucement à sa surface, non loin, pourquoi pas, de son module Philaé à jamais endormi.
Serge Brunier

C’est une étude très sérieuse que le  Journal of Feline Medicine and Surgery a publié : elle établit un recensement des signes de stress chez les chats domestiques, leur cause et la manière de les apaiser. Si la coexistence entre les animaux domestiques et les humains passe pour une problématique secondaire voire futile, les conclusions de l’article devraient intéresser les 27 % de foyers français qui partagent leur territoire avec un chat et qui parfois n’ont pu éviter de faire de l’adorable petit minou adopté à quelques semaines un vieux tyran aussi stressé que stressant.

L’étude révèle aussi l’utilisation de plus en plus légitime des outils issus de la psychologie comportementale et des sciences cognitives pour répondre à la « sensibilité » des animaux (reconnue juridiquement) sans sombrer dans un anthropomorphisme ridicule.

Qu’est-ce qu’un chat stressé ?

S’appuyant sur la somme des connaissances éthologiques acquises, les chercheurs de l’École de sciences vétérinaires de l’université autonome de Barcelone ont dressé un tableau reliant les causes du stress des chats, leur expression comportementale et les moyens d’y remédier.

A commencer par la définition même de ce que l’on entend par stress pour un mammifère non-humain. Par référence à notre propre vécu, nous associons l’état de stress d’un chat à un vécu intérieur négatif… Mais celui-ci se constate physiologiquement par l’activation de deux circuits, l’axe hormonal dit hypothalamo-pituito-surrénal et le système médullaire sympatho-adrénal.

Une liste des comportements de stress des chats domestiques

L’observation montre que ces systèmes s’activent pour des situations appartenant aux catégories suivantes : un environnement qui change (géographie, objets ou personnes), un environnement pauvre (enfermement dans un milieu « stérile » en stimuli), une relation humain-chat pauvre (peu d’interactions positives avec les maîtres), un conflit avec d’autres chats, une lacune de prédictibilité (changements arbitraires des règles, des routines ou des comportements des maîtres).

Ces situations stressantes conduisent à des comportements caractéristiques. On observe, expliquent les chercheurs, une diminution de la prise d’aliments (parfois son augmentation), de l’activité, du jeu, de l’exploration territoriale, du marquage par les hormones faciales (sécrétées au niveau des commissures et des joues), des interactions non agressives avec les humains ou les autres chats.

Une liste d’initiatives pour les déstresser

De même on observe une augmentation de la fréquence de toilettage (sa diminution dans des cas particuliers), des vocalisations, de la vigilance, du marquage urinaire, du besoin de se cacher, des marques agressives d’affection et de comportements compulsifs (tourner en rond ou autre). Tout cela ne sonnera pas comme une nouveauté pour les heureux propriétaires. Ce qui l’est plus, c’est que les chercheurs proposent une liste de « thérapies » comportementales pour sortir le chat du cercle vicieux du stress.

Parmi celles proposées selon le type de stress, voici les plus générales :

• 1- L’établissement d’un espace sûr, réservé au chat, où celui-ci dispose de toutes les ressources importantes.
• 2- La multiplication de mangeoires cachées ou d’accès difficile car les chats s’épanouissent dans la chasse. De même, pour les chats d’intérieur il convient de renouveler régulièrement les jouets, lesquels doivent simuler de petites proies (si possible mobiles).
• 3- L’aménagement d’un espace accessible dans les trois dimensions, en particulier la verticalité (étagères, plateformes, etc.) car les chats adorent se percher en hauteur pour observer. Un observatoire clandestin est d’autant plus apprécié.
• 4- Séparer l’espace litière, l’espace de repos et l’espace d’alimentation
• 5- Fournir le meilleur substrat pour le grattage, qui est une activité liée à la communication territoriale et au maintien d’un bon état de forme.

Dans un pays qui compte 11,5 millions de chats domestiques considérés comme facteur de bien-être (par 44% des possesseurs) et vecteurs positifs du développement de l’enfant (pour 40 % des possesseurs), nos compagnons félins méritent bien qu’on explore un peu mieux leur sensibilité.

Román Ikonicoff

 

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• A quoi pensent les invertébrés – S&V n°1144 – 2013. Ils éprouvent des émotions, sont sensibles à la douleur, voire ont une vie intérieur… Qui donc ? Les invertébrés.

• Expérimentation animale, le grand malaise – S&V n°1087 – 2008. L’expérimentation animale à de beaux jours devant elle. Et pour cause, c’est grâce au modèle animal que la biologie et la médecine progressent. Mais la conscience de leur souffrance progresse également chez les humains.

• Fallait-il libérer les poules ? – S&V n°1014 – 2002. La libération des poules des terribles batteries d’élevage industriel n’est pas pour elles une sinécure : elles s’écharpent voire s’entre-tuent. L’amélioration du bien-être des animaux d’élevage est un défi bien plus complexe que prévu.