the human connectome project -- neuroImagerie

The Human Connectome Project et la Connectomique

The Human Connectome Project et la Connectomique
par Jean-Paul Baquiast 24/08/2009

On reproche souvent aux technologies de l’imagerie cérébrale fonctionnelle de donner du cerveau humain et de ses activités cognitives des vues trop réductrices. Les observations étaient en effet jusqu’à présent focalisées sur de très petites aires cérébrales. Il était inévitable que les neuroscientifiques les interprétassent au moins partiellement en fonction des idées préconçues qu’ils pouvaient avoir relativement au fonctionnement du cerveau.

Des vues plus globales des aires responsables des états mentaux préconscients seraient cependant désormais disponibles. C’est ce qu’annoncent des scientifiques de la Rutgers University à Newmark et de l’université de Calofornie à Los Angeles dans un numéro à paraître (oct. 2009) de la revue Psychological Science,. On sait qu’il est admis qu’avant leur perception par le niveau conscient (awareness), les informations définissant un état mental donné sont traitées par le cerveau « inconscient ».

Des chercheurs des laboratoires précités, Stephen José Hanson, Russell A. Poldrack et Yaroslav Halchenko, pensent pouvoir prédire avec une précision raisonnable, en utilisant la Résonnance magnétique nucléaire (fMRI), les états mentaux d’une personne, avant même qu’ils ne s’expriment au niveau conscient. Pour cela, ils ont cherché à se donner un aperçu général de l’activité du cerveau, en élargissant la cartographie des observations. Pour eux, l’idée reçue selon laquelle des fonctions mentales spécifiques relèvent d’aires strictement localisées est inexacte.

Il serait selon eux réducteur de penser que des fonctions spécialisées, telles que l’apprentissage, la mémoire, la peur et l’amour, relèvent de bases neurales qui leurs seraient spécifiquement dédiées. Le cerveau est plus complexe qu’il n’apparaît dans ce modèle simple. En analysant son activité globale, ils montrent que plusieurs de ces fonctions font appel à des réseaux particuliers de neurones s’étendant à travers tout le cerveau. Ces réseaux différent les uns des autres selon les fonctions. Ainsi, globalement, à ce niveau, le cerveau ne doit pas être considéré comme statique. Il est capable de moduler les connections correspondantes en fonction des tâches entreprises.

De ce fait, en imageant par fMRI les patterns de connections neuronales qui s’établissent en permanence, il serait possible de prédire avec une bonne précision l’activité mentale particulière à laquelle se livre la personne observée. On pourrait donc dresser un catalogue intéressant un grand nombre de fonctions mentales en les caractérisant par les patterns spécifiques de réseaux neuronaux qui s’établissent à l’occasion de leur exécution par le cerveau. Ceci pourrait être un premier pas dans la voie de la caractérisation de fonctions mentales supérieures, telles que le raisonnement abstrait ou le mensonge. On pourrait aussi détecter les dysfonctionnements subtils se produisant à ce niveau et susceptibles de générer l’autisme ou la schizophrénie.

La réalisation du catalogue des patterns correspondant aux grandes fonctions mentales est déjà engagée. Il s’agit du Projet Connectome. Il vise à terme la réalisation d’une carte complète des connexions neuronales du système nerveux central. Cette carte permettra d’envisager les multiples connections correspondant à une fonction mentale simple, au lieu de se focaliser sur quelques millimètres carré de tissu cortical.

Une première étude a reposé sur la participation de 130 sujets, chacun d’eux chargés de tâches plus ou moins complexes, tout en étant observés par RMI. Pour ce faire, les chercheurs ont observé la somme considérable d’un demi-million de points à la surface du cerveau. Ils ne savaient pas à quelle activité se livraient les témoins. Ils ont pu cependant identifier avec une précision de 80% huit de ces tâches en s’appuyant sur le catalogue des patterns correspondant à des tâches précédemment référencées à partir d’observations précédentes. De plus, dans d’autres expériences, ils ont pu identifier les objets que des sujets pouvaient observer avant que ces derniers ne prennent conscience de le faire. Ceci a confirmé l’hypothèse depuis longtemps admise selon laquelle l’afférence dans l’espace de travail conscient se produit avec retard au regard des traitements primaires réalisés dans les zones sensorielles et motrices.

Le programme de recherche des National Institutes of Health américains, Blueprint for Neuroscience Research, s’insérant dans la National Neurotechnology Initiative, a lancé un projet de $30 millions destiné à cartographier les circuits neuronaux d’un adulte en bonne santé. On utilisera pour cela les techniques d’imageries cérébrales les plus modernes. Les images seront collectées à partir de centaines de sujets volontaires. Le projet vise à accélérer la « Neuro-révolution » que décrit l’ouvrage récent de Zack Lynch The Neuro Revolution: How Brain Science Is Changing Our World (St. Martin’s Press, July 2009). L’objetif est de faire apparaître les principales connections qui permettent au cerveau d’accomplir les fonctions mentales les plus importantes. Trois techniques d’imagerie seront utilisées : 1. HARDI pour High angular resolution diffusion imaging with magnetic resonance qui détecte la diffusion des molécules d’eau dans les tissus fibreux et peut ainsi visualiser les faisceaux d’axones, 2. R-fMRI pour Resting state fMRI, qui détecte les fluctuations dans l’activité du cerveau chez une personne au repos et peut faire apparaître des réseaux s’activant de façon coordonnée et 3. E/M fMRI pour Electrophysiology and magnetoencephalography (MEG) combined with fMRI. Cette dernière procédure complète l’information relative à l’activité cérébrale parallèlement aux signaux obtenus par la fMRI. Dans ce cas, la personne accomplit une tâche telle que plusieurs régions cérébrales supposées associées à cette tâche soient activées. Comme ce sera la première fois que ces trois techniques seront utilisées simultanément, le projet devra développer de nouveaux outils informatiques et mathématiques pour analyser les données recueillies. * NIH Blueprint for neuroscience research http://neuroscienceblueprint.nih.gov/

Un tel programme, comme on pouvait le supposer, suscite beaucoup de scepticisme. L’objectif consistant à identifier en 5 ans des milliers sinon plus de faisceaux neuronaux actifs, voire dans certains cas de neurones individuels, parait irréaliste. On rappelle que le cerveau comprend des centaines de milliards de cellules et un nombre astronomiquement plus grand de synapses. De plus, certaines des techniques envisagées, qui ont été développées en expérimentant chez l’animal, paraissent encore inapplicables à l’homme.

Plus généralement, établir une carte à grande échelle des connections entre régions cérébrales soulève de nombreux problèmes. D’une part, aucun cerveau n’est comparable à un autre. Mais d’autre part, même en acceptant des approches statistiques, il n’existe pas d’accord sur la délimitation fonctionnelle des aires cérébrales du cortex humain. Il n’est pas certain par exemple que les données dite de tractographie obtenues par certaines techniques, telles que les tenseurs de diffusion observés, puissent être corrélées avec les réalités anatomiques. Autrement dit, comme l’aurait rappelé Borgès, la carte n’est pas le territoire 1).

Les sceptiques continueront donc à se méfier de l’interprétation des observations obtenues par ces nouvelles approches globales. Elles risquent de transporter à un niveau supérieur la subjectivité qui était reprochée aux interprétations des images obtenues avec des techniques moins globales.

Nous dirons pour notre part que, comme toujours en science, notamment lorsque les observations instrumentales recoupent des observations relevant de l’analyse psychologique, la prudence devra continuer à s’imposer. Indéniablement cependant, la voie ouverte par un projet tel que le Connectome aura des suites, notamment pour les informaticiens qui s’efforceront par ailleurs de simuler sur ordinateurs des éléments plus ou moins importants du tissu cérébral (le Blue Gene Project d’IBM, par exemple, dont on vient d’annoncer de nouveaux développements).

1) Plus précisément, comme nous l’indique Luc Charcellay que nous remercions::
“”En cet empire, l’Art de la Cartographie fut poussé à une telle Perfection que la Carte d’une seule Province occupait toute une Ville et la Carte de l’Empire toute une Province. Avec le temps, ces Cartes Démesurées cessèrent de donner satisfaction et les Collèges de Cartographes levèrent une Carte de l’Empire, qui avait le Format de l’Empire et qui coïncidait avec lui, point par point.”
Suarez Miranda, Viajes de Varones Prudentes
Histoire universelle de l’infamie JLB


Pour en savoir plus
* Le Connectome Project http://iic.harvard.edu/research/connectome
* Article de Physorg.com Researchers develop ‘brain-reading’ methods
http://www.physorg.com/news167921900.html