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Bien que l'année 2020 ait été difficile pour la plupart des domaines scientifiques, l' âge d'or des neurosciences a continué de prospérer à un rythme accéléré. On a notamment assisté à de nombreuses percées dignes de la science-fiction dans la cartographie du cerveau, à des avancées majeures pour l'amélioration de la santé des personnes âgées et à l'aube d'une nouvelle ère pour les neurosciences basées sur l'intelligence artificielle. Examinons neuf des plus importantes découvertes en neurosciences de l'année écoulée.
Plus tôt cette année, des scientifiques du MIT ont mis au point une nouvelle technique permettant d'associer la cartographie structurelle (anatomie du cerveau) à la cartographie fonctionnelle (activité cérébrale) – une première. De plus, cette technique a été appliquée à des souris vivantes, la cartographie étant réalisée en temps réel sur différentes régions de leur cerveau. Cette vidéo illustre à quel point il est fascinant d'observer le couplage entre les structures cérébrales et l'activité en direct, qui évolue en fonction des images présentées à la souris.
Cette technique de pointe combine la microscopie à trois photons par génération de troisième harmonique (THG) avec la cartographie rétinotopique, permettant d'observer l'activité à travers les tissus cérébraux profonds via des signatures électriques.
Il offre également une résolution époustouflante, permettant d'étudier les neurones individuels et leurs sous-structures, ainsi que les fins vaisseaux sanguins et la myéline – un type d'isolant reconnu comme un facteur essentiel de la vitesse de traitement cérébral.
Cette étude s'est concentrée sur les centres visuels du cerveau, mais la même méthode peut être utilisée pour étudier d'autres régions. Elle promet d'être un outil précieux pour comprendre les différences entre les états cérébraux sains et pathologiques, ainsi que la façon dont le cerveau réagit aux stimulations environnementales.
L'université de Stanford a réalisé une avancée majeure grâce à une nouvelle de microscopie bifocale technique COSMOS. Leurs travaux ont permis de capturer des séquences vidéo de l'activité neuronale sur l'ensemble du cortex cérébral d'un cerveau de souris.
Ces signaux ont été enregistrés en filmant le cerveau sous trois angles différents, puis en extrayant informatiquement les signaux pour obtenir une vidéo en direct de l'activité macroscopique des hémisphères gauche et droit. Voici un exemple où vous pouvez littéralement observer l'intense activité électrique d'un cerveau en action.
Le cortex prenant en charge des fonctions cognitives complexes de haut niveau, des comportements plus mystérieux, comme les processus de prise de décision, peuvent désormais être décryptés de manière globale. Prenons l'exemple de la compréhension du lien entre les décisions dépendant de la perception sensorielle et de la fonction motrice (pensons à ce qu'implique le choix d'une trajectoire pour éviter une voiture arrivant en sens inverse).
Les chercheurs s'attendent également à ce que COSMOS soit une méthode peu coûteuse pour évaluer les effets des médicaments psychiatriques, afin de pouvoir les développer pour qu'ils soient plus efficaces sur le plan fonctionnel.
Comme nous l'avons évoqué dans un article précédent, une avancée majeure pour DeepMind a consisté à imiter les colonnes néocorticales du cerveau humain. Ceci a permis d'accroître considérablement l'intelligence avec une puissance de calcul bien moindre. De ce fait, cette IA, calquée sur le modèle humain, a désormais surpassé les meilleurs joueurs d'échecs, de go et d'e-sport au monde dans leurs disciplines respectives.
Bien que son mécanisme ne soit pas entièrement élucidé, le sommeil remplit une fonction essentielle au bon fonctionnement du cerveau des mammifères et des humains, et de graves problèmes surviennent en cas de privation de sommeil . Cette année, le Laboratoire national de Los Alamos a découvert que les réseaux de neurones à impulsions des systèmes d'IA souffrent également d'une forme de privation de sommeil, devenant instables lorsqu'ils fonctionnent pendant de longues périodes sans pause. Cependant, lorsqu'ils sont placés dans un état de réseau similaire aux ondes cérébrales que nous connaissons pendant le sommeil, leurs performances optimales sont rétablies.
Cela peut paraître anodin, mais les progrès de l'IA vont probablement transformer notre quotidien. Ces découvertes laissent également entrevoir que la convergence des neurosciences et de l'IA pourrait donner naissance à une nouvelle ère d'ordinateurs ultra-intelligents.
Un dispositif cérébral minuscule a permis d'améliorer la qualité de vie de patients atteints de paralysie sévère des membres supérieurs due à une maladie du motoneurone. Mené à l'Université de Melbourne, cet essai a consisté à implanter cette nouvelle microtechnologie dans le cerveau des participants.
Le dispositif Stentrode™ a été inséré par cœlioscopie au niveau du cou, puis acheminé vers le cortex moteur par voie sanguine. Cette méthode mini-invasive évite les risques et les complications post-opératoires associés à la chirurgie à cerveau ouvert.
L'implant utilise une technologie sans fil pour transmettre une activité neuronale spécifique à un ordinateur, où elle est convertie en actions en fonction des intentions des patients. Étonnamment, cette minuscule puce a permis aux patients d'effectuer des actions comme cliquer, zoomer et écrire avec une précision de 93 %, leur permettant ainsi de réaliser des choses que nous considérons comme allant de soi, comme envoyer des SMS, des e-mails et faire des achats en ligne.
Il est encore trop tôt pour tirer des conclusions définitives, mais le caractère minimalement invasif du traitement démontre le grand potentiel des micro-neurotechnologies pour aider les personnes souffrant de toutes sortes de troubles cognitifs.
En 2018, nous annoncions que des scientifiques avaient réussi à reprogrammer des cellules souches en neurones spécifiques. Cette année, des chercheurs de quatre universités américaines ont franchi une étape importante vers le Graal de l'allongement de la vie. En identifiant des réseaux de gènes qui régulent la régénération cellulaire, ils sont parvenus à manipuler des cellules normales pour les transformer en cellules progénitrices, capables de se différencier en n'importe quel type cellulaire afin de remplacer les cellules mourantes.
Leur preuve de concept a été réalisée avec des cellules gliales de poisson-zèbre, les convertissant efficacement en cellules souches qui ont ensuite détecté et restauré les cellules rétiniennes endommagées pour récupérer la vision altérée.
La mort cellulaire, ou apoptose, joue un rôle majeur dans le processus inévitable du vieillissement naturel chez l'humain. Les chercheurs pensent que le processus de régénération des neurones dans le cerveau sera similaire. Si cette découverte s'avère concluante, elle aura des implications considérables pour des maladies comme la maladie d'Alzheimer, où de vastes régions du cerveau peuvent être détruites par la mort des neurones. Elle pourrait également contribuer à prévenir les nombreux effets secondaires du vieillissement cérébral, permettant ainsi de vivre plus longtemps et en meilleure santé, et de conserver une forme physique optimale jusqu'à un âge avancé.
Plutôt que de remplacer les cellules mourantes, des scientifiques de l'université de Heidelberg ont identifié des processus clés impliqués dans la mort des cellules cérébrales, un phénomène appelé neurodégénérescence. Leurs travaux ont consisté à découvrir le mécanisme par lequel l'absorption cellulaire du glutamate prévient la mort cellulaire chez les personnes en bonne santé, mais devient inactive dans des états pathologiques comme l'AVC, où l'apport d'oxygène aux cellules cérébrales est réduit.
En effet, cela conduit les cellules à s'autodétruire simplement parce qu'elles ne reçoivent pas les signaux chimiques nécessaires à leur survie. Les chercheurs ont alors mis au point une nouvelle classe d'inhibiteurs capables d'intervenir et de désactiver le « complexe de mort » cellulaire avant même son apparition.
Ces inhibiteurs se sont révélés très efficaces pour protéger les cellules nerveuses, ce qui pourrait mener à une nouvelle classe de traitements pour les maladies neurodégénératives.
Des chercheurs de l'université d'Aarhus ont utilisé des techniques d'imagerie avancées TEP et IRM pour révéler que la maladie de Parkinson est en réalité l'une ou l'autre de deux variantes différentes de la maladie.
Dans une variante, la maladie débute dans les intestins et se propage ensuite au cerveau par voie neuronale. Dans l'autre, elle débute dans le cerveau puis s'étend aux intestins et à d'autres organes. Cette vidéo en donne un excellent aperçu.
Bien que non curative, cette découverte représente un progrès majeur pour le dépistage précoce et la mise en place de mesures préventives. Elle pourrait, par exemple, mener à des traitements empêchant la maladie d'atteindre le cerveau, où ses effets deviennent alors invalidants. Elle constitue également une pièce essentielle du puzzle des puissantes symbioses entre nos intestins et notre cerveau, connues scientifiquement sous le nom d' axe intestin-cerveau.
Des scientifiques de l'Université de Cambridge et de l'Imperial College de Londres ont développé un nouveau type d'algorithme d'IA capable de détecter, de différencier et d'identifier différents types de lésions cérébrales à partir de données de tomodensitométrie topographique.
Les scanners génèrent une quantité considérable de données dont l'analyse peut prendre des heures aux experts. Cette analyse nécessite notamment l'évaluation conjointe de plusieurs examens réalisés au fil du temps afin de suivre l'évolution de la guérison ou la progression de la maladie. Ce nouvel outil d'IA semble plus performant que les experts humains pour détecter ces changements, tout en étant beaucoup plus rapide et économique.
Par exemple, leurs recherches ont démontré la grande efficacité du logiciel pour quantifier automatiquement la progression de plusieurs types de lésions cérébrales, permettant ainsi de prédire quelles lésions s'aggraveraient. Cette application novatrice de l'IA pour assister l'analyse humaine sera probablement la première d'une longue série qui transformera le diagnostic médical de manière rentable.
Les super-seniors sont des individus dont les capacités cognitives dépassent largement celles de leurs pairs âgés, conservant des facultés mentales quasi juvéniles jusqu'à un âge avancé (70 ou 80 ans). Jusqu'à présent, le secret de cette forme physique optimale restait largement méconnu.
L'hôpital universitaire de Cologne et le centre de recherche de Jülich ont découvert une différence fondamentale dans leur biologie. Grâce à la tomographie par émission de positons (TEP), ils ont révélé que les personnes très âgées présentent une résistance nettement accrue aux tau et amyloïdes. Jusqu'à récemment, ces protéines étaient difficiles à étudier.
Les personnes très âgées présentent également des niveaux plus faibles de pathologies tau et amyloïdes, ce qui, à son tour, entraîne divers types de neurodégénérescence chez la plupart des individus au cours de leurs vieux jours. Il est désormais établi que la diminution de la résistance à l'accumulation de protéines tau et amyloïdes constitue un facteur biologique primordial du déclin des performances cognitives optimales.
De nouvelles recherches pourraient se concentrer sur ces processus afin de trouver des moyens de guérir éventuellement le déclin mental en général, ainsi que de contribuer au développement de traitements pour protéger contre les formes de démence déjà présentes.
Nous espérons que ces points saillants en neurosciences vous ont intéressé. Si vous souhaitez en savoir plus sur le rythme remarquable des progrès en neurosciences, consultez également nos articles de blog sur les faits marquants des trois dernières années.
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