7 des découvertes les plus passionnantes en neurosciences de 2021

D'année en année, le rythme des découvertes en neurosciences est à la fois passionnant et effréné. Des mini-cerveaux cultivés en laboratoire à l'intelligence artificielle dévoilant les secrets de l'évolution du cerveau humain, découvrez sept des percées les plus remarquables de 2021.

Traitement de la dépression sévère par stimulation cérébrale profonde adaptative

Une équipe de recherche de l'Université de Californie à San Francisco a mis au point une méthode utilisant la stimulation cérébrale profonde (SCP) pour traiter les symptômes dépressifs de manière adaptative, uniquement lorsqu'ils apparaissent. La stimulation cérébrale profonde consiste à implanter des électrodes dans le cerveau afin de délivrer des courants électriques et de modifier ainsi l'activité cérébrale.

Les études précédentes sur le traitement de la dépression par stimulation cérébrale profonde (SCP) ont connu un succès limité, car les dispositifs ne pouvaient délivrer une stimulation électrique constante que dans une seule zone du cerveau. Or, la dépression peut affecter différentes zones cérébrales, et ses signatures neuronales peuvent fluctuer de manière imprévisible.

Dans le but de créer une sorte de stimulateur cérébral, les scientifiques ont décodé un nouveau biomarqueur neuronal. Ce schéma spécifique d'activité cérébrale prédit efficacement l'apparition des symptômes. Grâce à cette découverte, l'équipe a mis au point une nouvelle technologie de stimulation cérébrale profonde (SCP) qui ne s'active que lorsqu'elle reconnaît ce schéma.

Ce type de thérapie automatique à la demande est impressionnant car ses réponses fonctionnelles sont spécifiques au cerveau du patient et au circuit neuronal à l'origine de la maladie. Lors de son premier essai, cette méthode de stimulation cérébrale profonde personnalisée a été testée sur un patient souffrant de dépression sévère et a obtenu des résultats exceptionnels. Les symptômes du patient ont été soulagés presque immédiatement, et cet effet s'est maintenu à long terme.

À l'heure de la COVID-19, où l'anxiété et les problèmes de santé mentale se multiplient, cette approche pourrait s'avérer une thérapie sans médicaments inestimable pour des centaines de millions de personnes.

Au-delà de l'ouïe humaine

À l'instar des ondes lumineuses, l'être humain ne perçoit qu'une partie relativement restreinte des ondes sonores qui nous entourent. Généralement, nous ne percevons que les fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz ; au-delà, il s'agit d'ultrasons. C'est dans cette gamme de fréquences que se déplacent les animaux comme les chauves-souris, et c'est également ce qui est utilisé lors des examens médicaux par ultrasons.

Des scientifiques de l'université Aalto ont mis au point une nouvelle méthode utilisant une technologie de pointe, aboutissant à un dispositif qui confère à l'être humain une ouïe comparable à celle des chauves-souris. Ce dispositif permet non seulement d'entendre des fréquences bien supérieures à 20 000 Hz, mais aussi de discerner la direction et la distance des sources sonores. Pour les biologistes, par exemple, il permet de suivre en vol des chauves-souris habituellement furtives et de localiser leur position.

Ce dispositif fonctionne en enregistrant les ultrasons grâce à un réseau de microphones sphériques. Ce réseau détecte les sons ultrasonores et utilise un ordinateur pour convertir leur fréquence en sons audibles. Les ondes sonores ainsi converties sont ensuite diffusées en temps réel via un casque audio. La capacité à percevoir des sons normalement inaudibles pourrait avoir de précieuses applications industrielles, par exemple pour détecter et localiser des fuites de gaz autrement silencieuses.

L'IA apprend de manière indépendante à sentir de la même manière que les humains

Bien que les neurosciences soient un domaine scientifique relativement jeune et en pleine expansion, l'intelligence artificielle (IA) est à la fois beaucoup plus récente et connaît une croissance encore plus rapide. Le potentiel de la combinaison de ces deux domaines scientifiques a été mis en évidence par des chercheurs du MIT.

Grâce à l'apprentissage automatique, des chercheurs ont découvert que les réseaux neuronaux artificiels peuvent apprendre à sentir en quelques minutes seulement, imitant ainsi les circuits olfactifs du cerveau des mammifères. Cette découverte est remarquable car l'algorithme utilisé ignorait tout des millions d'années d'évolution nécessaires au développement biologique de l'odorat.

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 reproduction fidèle de la structure naturelle des circuits cérébraux par l'apprentissage automatique pourrait annoncer une nouvelle ère, où l'IA nous dévoilerait les secrets de l'évolution biologique. L'odorat en est le point de départ en 2021, mais qui sait où cela nous mènera…

Une neuroprothèse transforme les pensées en phrases chez un patient gravement paralysé

Des chercheurs de l'Université de Californie à San Francisco ont mis au point une nouvelle neuroprothèse vocale pour les patients paralysés qui les empêchent de parler. La méthode a été testée avec succès sur un homme souffrant d'une lésion grave du tronc cérébral, entraînant une paralysie totale.

Ce dispositif fonctionne de façon assez remarquable 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 pour articuler la grande variété de sons que nous utilisons lors des conversations. Même en cas d'immobilité, ces signaux peuvent continuer d'être envoyés par le cerveau.

En utilisant des enregistrements cérébraux de patients épileptiques, les scientifiques ont mis au point une méthode de décodage en temps réel des instructions données aux muscles vocaux, afin de les traduire en mots. À partir de ces schémas neuronaux, ils ont pu identifier avec fiabilité 50 mots courants différents dès que le patient les pensait.  

Il suffisait que le patient porte un réseau d'électrodes haute densité pour capter et enregistrer l'activité neuronale, c'est-à-dire les signaux provenant du cortex moteur de la parole. Cela permettait de traduire jusqu'à 18 mots par minute avec une précision de 93 %. L'avantage pour le patient était qu'il lui suffisait de faire comme s'il parlait réellement pour pouvoir communiquer des centaines de phrases différentes à partir du vocabulaire de 50 mots.

Bien que cette avancée semble se limiter aux patients paralysés, nous subissons une paralysie chaque nuit lorsque nous rêvons (sauf en cas de somnambulisme). Si elle est suffisamment développée, cette approche pourrait, par exemple, ouvrir la voie à la traduction de nos pensées pendant notre sommeil !

Mini-cerveaux humains développés avec une activité neuronale complexe

Techniquement appelés « organoïdes cérébraux », ces mini-cerveaux peuvent être cultivés à partir de cellules souches pluripotentes induites. Ces cellules souches, prélevées sur la peau ou le sang d'un patient, ont la capacité de se différencier en n'importe quel type cellulaire. L'avantage réside dans la possibilité, en principe, de cultiver et d'isoler des structures cellulaires normalement très difficiles d'accès à des fins d'étude. Ceci est particulièrement pertinent pour le cerveau, même si les mini-cerveaux précédemment développés présentaient des structures fonctionnelles limitées.

Cette année, une avancée majeure réalisée par des scientifiques de l'UCLA a permis de franchir un cap important en matière de complexité structurelle grâce à la culture d'agrégats d'organoïdes formant des structures cérébrales tridimensionnelles complexes. Les chercheurs ont prélevé des cellules souches chez des patients atteints du syndrome de Rett (une maladie caractérisée par des crises d'épilepsie) et ont réussi à cultiver des mini-cerveaux présentant une activité fonctionnelle similaire à celle de certaines parties du cerveau humain. Cela leur a permis d'observer avec succès et en toute sécurité des schémas d'activité électrique semblables au début des crises d'épilepsie.

Cette recherche démontre pour la première fois que certains aspects du fonctionnement cérébral peuvent être isolés et étudiés en laboratoire jusqu'au niveau de la cellule vivante individuelle. L'avantage majeur réside dans la possibilité de cultiver ces mini-cerveaux afin de reproduire certains aspects des fonctions cérébrales normales et pathologiques, et de tester des médicaments et des traitements sans risque pour l'homme ni pour l'animal.

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 possède un potentiel digne de la science-fiction.

Des « neurograins » utilisés pour développer une interface cerveau-ordinateur de nouvelle génération

Avec la croissance exponentielle de la puissance de calcul ces dernières décennies, les microprocesseurs sont devenus de plus en plus petits chaque année. Des neuroscientifiques de l'université Brown, , ont mis au point un ordinateur sans fil si petit qu'il est quasiment invisible à l'œil nu. Baptisés « neurograins » (en raison de leur taille, comparable à celle d'un grain de sel), ces dispositifs ont été conçus pour suivre et surveiller l'activité cérébrale.  

Ces ordinateurs ultra-miniatures sont capables d'enregistrer l'activité électrique des neurones voisins et de transmettre ces données sans fil. L'objectif était de développer un nouveau type d'interface cerveau-ordinateur (ICO), où un réseau de ces mini-capteurs pourrait suivre collectivement des aspects significatifs de l'activité cérébrale et envoyer ces informations à un centre de contrôle situé à proximité.

Dans une expérience de validation de principe, les chercheurs ont déployé un réseau permettant d'enregistrer avec succès l'activité neuronale d'un rongeur, avec une précision bien supérieure à celle obtenue jusqu'alors. Bien que cet enregistrement des signaux cérébraux avec un niveau de détail sans précédent soit encore à ses débuts, cette avancée technologique est très prometteuse et permettra de convertir les ondes cérébrales en actions concrètes et utiles, sans aucun effort physique.

Rétablir la vision fonctionnelle chez les personnes complètement aveugles

Cette année, un nouveau type de réseau de microélectrodes a permis de créer une forme de vision artificielle grâce à une prothèse visuelle. Des scientifiques de l'Université de l'Utah, au Centre ophtalmologique John A. Moran, ont conçu ce dispositif pour enregistrer et stimuler l'activité neuronale au sein du cortex visuel.

Implanté dans l'œil, le dispositif reçoit des informations visuelles grâce à des lunettes équipées d'une petite caméra vidéo. Ces données sont ensuite traitées par un logiciel spécialisé. Le dispositif active alors les neurones rétiniens, provoquant la formation de phosphènes, comme s'ils percevaient des points lumineux. Ceci permet au cerveau de percevoir des images simples de lignes et de formes.

Testée sur un patient totalement aveugle, cette méthode s'est avérée efficace et n'a entraîné aucune complication liée à l'intervention chirurgicale ou à la stimulation neuronale. Lors de ce premier essai, un seul dispositif a été utilisé. L'objectif suivant est d'utiliser 7 à 10 dispositifs afin de fournir des images plus détaillées qui permettront aux personnes aveugles de se repérer visuellement dans le monde.

Une nouvelle thérapie moléculaire injectable répare les lésions graves de la moelle épinière

Des chercheurs de l'Université Northwestern ont utilisé une nouvelle classe de « molécules dansantes » pour réparer les tissus lors de lésions graves de la moelle épinière et parvenir à inverser la paralysie. Le principe consiste à manipuler le mouvement de ces molécules afin qu'elles puissent se frayer un chemin jusqu'à des récepteurs cellulaires normalement inaccessibles, et ainsi les inciter à réparer les tissus nerveux.

Ces molécules aux propriétés quasi magiques agissent en déclenchant des signaux en cascade, stimulant la régénération des axones et favorisant la survie des neurones après une lésion grâce à la prolifération de nouveaux types cellulaires. Ce processus soutient la repousse des vaisseaux sanguins endommagés, essentielle à la cicatrisation cellulaire.

Testée sur des souris, une seule injection de cette thérapie moléculaire a permis aux animaux paralysés de remarcher en moins de quatre semaines. De façon plutôt pratique, 12 semaines plus tard (bien après la guérison complète), les substances se biodégradent en nutriments pour les cellules sans aucun effet secondaire, disparaissant ainsi naturellement de l'organisme.

La réalité virtuelle offre une thérapie pour surmonter la peur du vide

La réalité virtuelle (RV) est utilisée depuis des décennies par les psychophysiciens pour étudier la perception des 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 la phobie du vide.

Baptisé Easyheights, ce logiciel compatible avec les smartphones propose une thérapie d'exposition grâce à des images à 360° de lieux réels. Équipés d'un casque de réalité virtuelle, les utilisateurs se tiennent sur une plateforme initialement située à un mètre du sol, dont la hauteur augmente progressivement à mesure qu'ils s'acclimatent. Le principe consiste à accroître l'exposition sensorielle à la hauteur sans pour autant augmenter le niveau de peur.

Un essai clinique a démontré l'efficacité de cette thérapie immersive, entraînant une réduction significative de la phobie du vide en situation réelle. Les bénéfices ont été constatés après seulement quatre heures d'entraînement à domicile. Cette découverte illustre comment l'association des connaissances en neurosciences et des technologies actuelles peut améliorer concrètement la qualité de vie des patients, et ce, de manière facilement accessible.

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