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D’année en année, le rythme des découvertes en neurosciences est à la fois passionnant et incessant. Des mini-cerveaux cultivés en laboratoire à l’intelligence artificielle révélant les secrets de l’évolution du cerveau humain, profitez de ces 7 des avancées les plus étonnantes de 2021.
Une équipe de recherche de l'Université de Californie à San Francisco a développé avec succès une méthode utilisant la stimulation cérébrale profonde (DBS) pour traiter de manière adaptative les symptômes dépressifs uniquement lorsqu'ils apparaissent. La stimulation cérébrale profonde consiste à implanter des électrodes dans le cerveau pour délivrer des courants électriques afin de modifier l'activité cérébrale.
Des études antérieures ont eu un succès limité dans le traitement de la dépression par DBS, car les appareils ne pouvaient délivrer une stimulation électrique constante que dans une seule zone du cerveau. Cependant, la dépression peut affecter diverses zones du cerveau, et les signatures neuronales de la dépression peuvent augmenter et diminuer de manière imprévisible.
Dans le but de créer un stimulateur cardiaque pour le cerveau, les scientifiques ont décodé un nouveau biomarqueur neuronal. Ce schéma spécifique d’activité cérébrale prédit efficacement l’apparition des symptômes. Forte de ces connaissances, l’équipe a personnalisé une nouvelle technologie DBS qui s’active uniquement quand et où elle reconnaît ce modèle.
Le type de thérapie automatique à la demande est impressionnant car ses réponses fonctionnelles sont uniques à la fois au cerveau du patient et au circuit neuronal à l'origine de la maladie. Lors de son premier essai, cette méthode DBS personnalisée a été testée avec un patient souffrant de dépression sévère et a réussi avec brio. Presque immédiatement, les symptômes du patient ont été atténués, et cela a continué à être le cas à long terme.
À l’ère du COVID, où l’anxiété et les problèmes de santé mentale deviennent monnaie courante, cette approche pourrait s’avérer une thérapie sans médicament inestimable pour des centaines de millions de personnes.
Semblable aux ondes lumineuses, les humains ne peuvent percevoir qu’un spectre relativement restreint des ondes sonores qui nous entourent. Généralement, nous ne pouvons capter que des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz, au-delà, elles sont considérées comme ultrasoniques. Il s’agit de la gamme de fréquences dans laquelle les animaux comme les chauves-souris opèrent et qui est également utilisée dans les analyses médicales par ultrasons.
Une nouvelle méthode utilisant une technologie sophistiquée a été mise au point par des scientifiques de l'Université Aalto et a conduit à un appareil qui donne aux humains une audition comparable à celle d'une chauve-souris . Cela inclut non seulement la capacité d’entendre des fréquences bien au-delà de 20 000 Hz, mais également de discerner la direction et la distance des sources sonores. Pour les biologistes par exemple, cela permet aux gens de suivre en vol des chauves-souris autrement furtives et de localiser leurs positions.
Il fonctionne en enregistrant les ultrasons via un réseau de microphones sphériques, qui détecte les sons ultrasoniques et utilise un ordinateur pour traduire la hauteur en fréquences audibles. Il diffuse ensuite les ondes sonores converties via des écouteurs en temps réel. Être capable de percevoir des sons normalement inaudibles pourrait avoir des applications industrielles précieuses, par exemple être capable d'entendre et de localiser des fuites de gaz autrement silencieuses.
Bien que les neurosciences soient un domaine scientifique relativement jeune et en croissance rapide, l’intelligence artificielle (IA) est à la fois beaucoup plus récente et connaît une croissance plus rapide. Le potentiel de combiner ces deux domaines scientifiques a été révélé par des chercheurs du MIT .
Grâce à l’apprentissage automatique, ils ont découvert que les réseaux neuronaux artificiels peuvent auto-apprendre à sentir en quelques minutes seulement, imitant ainsi les circuits olfactifs du cerveau des mammifères. Ceci est profond car l’algorithme mis en œuvre n’avait aucune connaissance des millions d’années d’évolution nécessaires au développement biologique de l’odorat.
Pourtant, étonnamment, le réseau neuronal artificiel a reproduit si fidèlement l’activité biologique de l’odorat qu’il a révélé que le réseau olfactif du cerveau est mathématiquement optimisé pour sa fonction.
Cette imitation précise de la structure naturelle des circuits cérébraux par un apprentissage automatique indépendant pourrait annoncer une nouvelle ère, dans laquelle l’IA nous enseignerait les secrets intérieurs de l’évolution biologique. L’odorat est le point de départ en 2021, mais qui sait où cela pourrait mener…
Des chercheurs de l'UC San Francisco ont développé un nouveau type de neuroprothèse vocale pour les patients paralysés qui les empêche de parler. La méthode a été démontrée avec succès sur un homme dont le tronc cérébral était gravement endommagé, provoquant une paralysie de tout le corps.
De manière assez remarquable, cela fonctionne en détectant les signaux cérébraux liés à la parole qui contrôlent les cordes vocales. Lorsque nous parlons, les cordes vocales nécessitent des instructions motrices complexes afin d’articuler la grande variété de sons que nous utilisons lors d’une conversation. Même lorsqu’ils sont incapables de bouger, ces signaux peuvent toujours être envoyés par le cerveau.
En utilisant des enregistrements cérébraux de patients épileptiques, les scientifiques ont développé une méthode de décodage en temps réel des instructions adressées aux muscles vocaux, en mots. À partir de ces schémas neuronaux, ils ont pu discerner de manière fiable 50 mots courants différents chaque fois que le patient les pensait.
Il suffisait au patient de porter un réseau d'électrodes à haute densité pour capturer et enregistrer l'activité neuronale, qui enregistrait les signaux du cortex moteur de la parole. Cela a permis de traduire jusqu'à 18 mots par minute avec une précision de 93 %. L'avantage pour le patient était qu'il devait simplement agir comme s'il parlait réellement et qu'il pouvait communiquer des centaines de phrases différentes à partir du vocabulaire de 50 mots.
Bien que cette avancée semble limitée aux patients paralysés, nous souffrons de paralysie toutes les nuits lorsque nous rêvons (à moins que nous somnambulions). Si elle évolue suffisamment, cette approche pourrait, par exemple, ouvrir la voie à la traduction de nos pensées pendant notre sommeil !
Techniquement appelés « organoïdes cérébraux », les mini-cerveaux peuvent être cultivés à partir de cellules souches pluripotentes induites . Ces cellules souches peuvent être prélevées sur la peau ou le sang d'une personne et peuvent potentiellement se transformer en n'importe quel type de cellules. L’avantage est que les structures cellulaires, normalement très difficiles d’accès, peuvent en principe être cultivées et isolées pour être étudiées. Ceci est particulièrement pertinent pour le cerveau, même si les mini-cerveaux précédents avaient des structures fonctionnelles limitées.
La percée de cette année réalisée par des scientifiques de l'UCLA a catapulté la complexité structurelle en développant des agrégats d'organoïdes pour former des structures cérébrales tridimensionnelles complexes. Les chercheurs ont prélevé des cellules souches de patients atteints du syndrome de Rett (une maladie accompagnée de convulsions) et ont pu développer des mini-cerveaux ayant une activité fonctionnelle similaire à celle de certaines parties du cerveau humain. Cela signifie qu’ils ont pu observer en toute sécurité et avec succès des schémas d’activité électrique qui ressemblent au début des crises.
Cette recherche montre pour la première fois que certains aspects du fonctionnement cérébral peuvent être isolés et étudiés en laboratoire jusqu’au niveau des cellules vivantes individuelles. Le principal avantage est que ces mini-cerveaux peuvent être développés pour reproduire des aspects des fonctions cérébrales normales et malades, ainsi que pour tester des médicaments et des traitements sans risque pour les humains ou les animaux.
L’échelle du cerveau humain est énorme, il existe donc encore des limites évidentes en termes de complexité des structures cérébrales qui peuvent être étudiées, mais il est clair que ce domaine émergent des neurosciences a un potentiel proche de celui de la science-fiction.
Avec la croissance exponentielle de la puissance de calcul au cours des dernières décennies, les puces électroniques sont devenues de plus en plus petites chaque année. spécialisés dans la technologie de l'Université Brown ont maintenant développé un ordinateur sans fil si petit qu'il peut facilement être ignoré par l'œil humain. Surnommés « neurograins » – parce qu’ils ont à peu près la taille d’un grain de sel – ils ont été développés pour suivre et surveiller l’activité cérébrale.
Ces ordinateurs ultra-minuscules sont capables d'enregistrer l'activité électrique des neurones proches et de transmettre leurs données sans fil. L’objectif était de développer un nouveau type de système d’interface cerveau-ordinateur (BCI), dans lequel un réseau de mini-capteurs peut suivre collectivement des aspects significatifs de l’activité cérébrale et envoyer les informations à un hub proche.
Dans une expérience de validation de principe, les chercheurs ont déployé un réseau pour enregistrer avec succès l'activité neuronale d'un rongeur avec une précision bien plus grande que jamais auparavant. Cet enregistrement des signaux cérébraux avec des détails sans précédent en est encore à ses débuts, mais la percée technologique est très prometteuse car elle permettra de convertir les ondes cérébrales en actions utiles du monde réel sans aucun effort physique.
Cette année, un nouveau type de réseau de microélectrodes a été utilisé pour créer une forme de vision artificielle via une prothèse visuelle. Des scientifiques de l'Université de l'Utah du John A. Moran Eye Center ont construit cet appareil pour enregistrer et stimuler l'activité neuronale dans le cortex visuel.
Implanté dans l'œil, le réseau reçoit des informations visuelles à travers des lunettes contenant une petite caméra vidéo, les données étant traitées par un logiciel spécialisé. L’appareil active ensuite les neurones rétiniens pour produire des phosphènes, comme s’ils recevaient des points lumineux. Cela permet à son tour à l'esprit de percevoir des images de base de lignes et de formes.
Testée auprès d'un patient complètement aveugle, cette méthode s'est avérée efficace et n'a entraîné aucune complication liée à la chirurgie ou à la stimulation neuronale. Lors de ce premier test, un seul tableau a été utilisé. Cependant, le prochain objectif est d’utiliser 7 à 10 réseaux pour fournir des images plus détaillées qui permettront aux personnes aveugles de réellement naviguer visuellement dans le monde.
Une nouvelle classe de « molécules dansantes » a été appliquée par des chercheurs de l'Université Northwestern pour réparer les tissus lors de lésions graves de la moelle épinière et inverser avec succès la paralysie . La partie dansante consiste à manipuler le mouvement de ces molécules pour qu'elles puissent se frayer un chemin vers des récepteurs cellulaires normalement impossibles à atteindre, afin de les inciter à se mettre en marche pour réparer les tissus nerveux.
Ces molécules apparemment magiques fonctionnent en déclenchant des signaux en cascade, déclenchant la régénération des axones et aidant les neurones à survivre après une blessure en encourageant la naissance d’une variété de nouveaux types de cellules. Cela favorise à son tour la repousse des vaisseaux sanguins perdus, nécessaires à la guérison cellulaire.
Testée sur des souris, une seule injection de thérapie moléculaire a permis aux souris paralysées de remarcher en moins de quatre semaines. Assez commodément, 12 semaines plus tard (bien après la récupération complète), les matériaux se biodégradent en nutriments pour les cellules sans aucun effet secondaire, disparaissant effectivement naturellement du corps.
La réalité virtuelle (VR) est utilisée par les psychophysiciens depuis des décennies pour étudier la façon dont nous percevons les informations sensorielles. Cette année, des chercheurs de l'Université de Bâle, la plus ancienne université de Suisse, ont développé une application de réalité virtuelle pour traiter réellement les phobies des hauteurs .
Appelé Easyheights , le logiciel compatible avec les smartphones propose une thérapie d'exposition utilisant des images à 360° de lieux réels. Portant un casque VR, les utilisateurs se tiennent sur une plate-forme qui commence à un mètre au-dessus du sol, puis s'élève progressivement à mesure que les utilisateurs s'acclimatent à chaque niveau de hauteur. Cela fonctionne en augmentant l'exposition sensorielle à la hauteur sans augmenter le niveau de peur.
Un essai clinique a démontré l’efficacité de cette forme de traitement immersive, produisant des réductions significatives de la phobie dans des situations réelles de hauteur. Les bénéfices ont été constatés avec seulement quatre heures de formation à domicile. Cette découverte montre comment la combinaison des connaissances en neurosciences avec les technologies d'aujourd'hui peut améliorer cliniquement la qualité de vie des gens de manière facilement accessible.
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Voici quelques découvertes fascinantes en neurosciences sur le cerveau humain que vous ne connaissez peut-être pas.
Une diversité d'approches de recherche de NeuroTracker ont conduit à des informations fascinantes sur la façon dont le cerveau influence les performances et le bien-être humains.
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