Les modèles d’ondes cérébrales à haute fréquence dans le cortex moteur peuvent prédire un mouvement à venir


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  • Nicholas G. Hatsopoulos, PhD, professeur de biologie et d’anatomie des organismes à l’Université de Chicago, s’intéresse depuis longtemps à l’espace. Plus précisément, l’espace physique occupé par le cerveau.

    « Dans nos têtes, le cerveau est tout chiffonné. Si vous aplatissez le cortex humain en une seule feuille 2D, cela couvrirait deux pieds carrés et demi d’espace – environ la taille de quatre morceaux de papier. On pourrait penser que le cerveau tirerait parti de tout cet espace lors de l’organisation des schémas d’activité, mais en plus de savoir qu’une partie du cerveau contrôle le bras et qu’une autre contrôle la jambe, nous avons surtout ignoré comment le cerveau pourrait utiliser cette organisation spatiale. »

    Or, dans une nouvelle étude publiée le 16 janvier dans Actes de l’Académie nationale des sciences, Hatsopoulos et son équipe ont trouvé des preuves que le cerveau utilise effectivement l’organisation spatiale des ondes d’activité neuronale se propageant à haute fréquence pendant le mouvement.

    La présence d’ondes de propagation d’activité neuronale est bien établie, mais elles sont traditionnellement associées à l’état comportemental général d’un animal (comme éveillé ou endormi). Cette étude est la première preuve que le recrutement spatialement organisé de l’activité neuronale à travers le cortex moteur peut informer les détails d’un mouvement planifié.

    L’équipe espère que les travaux contribueront à éclairer la manière dont les chercheurs et les ingénieurs décodent les informations motrices pour créer de meilleures interfaces cerveau-machine.

    Pour mener l’étude, les chercheurs ont enregistré l’activité de réseaux multiélectrodes implantés dans le cortex moteur primaire de singes macaques pendant que les singes effectuaient une tâche qui les obligeait à déplacer un joystick. Ensuite, ils ont recherché des modèles d’activité ondulatoires, en particulier ceux de grande amplitude.

    « Nous nous sommes concentrés sur les signaux de bande haute fréquence compte tenu de sa richesse en informations, de sa portée spatiale idéale et de la facilité d’obtention du signal dans chaque électrode », a déclaré Wei Liang, premier auteur de l’étude et étudiant diplômé du laboratoire Hatsopoulos.

    Ils ont découvert que ces ondes de propagation, composées de l’activité de centaines de neurones, se déplaçaient dans différentes directions à travers la surface corticale en fonction de la direction dans laquelle le singe poussait le joystick.

    « C’est comme une série de dominos qui tombent », a déclaré Hatsopoulos. « Tous les modèles de vagues que nous avons vus dans le passé ne nous disaient pas ce que faisait l’animal, cela se produirait tout simplement. C’est très excitant parce que maintenant nous examinons ce modèle de vagues qui se propage et avons montré que la direction la vague va vous dire quelque chose sur ce que l’animal est sur le point de faire. »

    Les résultats offrent une nouvelle façon de regarder la fonction corticale. « Cela montre que l’espace compte », a déclaré Hatsopoulos. « Au lieu de simplement regarder ce que font les populations de neurones et ce dont elles se soucient, nous constatons qu’il existe une structure spatialement organisée qui transporte des informations. C’est une façon très différente de penser les choses. »

    La recherche a été difficile en raison du fait qu’ils étudiaient les modèles d’activité à partir de mouvements individuels, plutôt que de faire la moyenne des enregistrements sur des essais répétés, ce qui peut être assez bruyant. L’équipe a pu développer une méthode de calcul pour nettoyer les données afin de clarifier les signaux enregistrés sans perdre d’informations importantes.

    « Si vous faites la moyenne des essais, vous manquez d’informations », a déclaré Hatsopoulos. « Si nous voulons implémenter ce système dans le cadre d’une interface cerveau-machine, nous ne pouvons pas faire la moyenne des essais – votre décodeur doit le faire à la volée, au fur et à mesure que le mouvement se produit, pour que le système fonctionne efficacement. »

    Savoir que ces ondes contiennent des informations sur le mouvement ouvre la porte à une nouvelle dimension de compréhension de la façon dont le cerveau déplace le corps, ce qui peut à son tour fournir des informations supplémentaires aux systèmes informatiques qui piloteront les interfaces cerveau-machine du futur.

    « La dimension spatiale a été la plupart du temps ignorée jusqu’à présent, mais c’est un nouvel angle que nous pouvons utiliser pour comprendre la fonction corticale », a déclaré Hatsopoulos. « Lorsque nous essayons de comprendre les calculs effectués par le cortex, nous devons tenir compte de la disposition spatiale des neurones. »

    Des études futures examineront si des modèles d’ondes similaires sont observés dans des mouvements plus compliqués, tels que des mouvements séquentiels par opposition à une simple atteinte point à point, et si une stimulation électrique ondulatoire du cerveau peut ou non biaiser le mouvement du singe.

    L’étude, « La propagation des modèles d’activité spatio-temporelle à travers le cortex moteur des macaques transporte des informations cinématiques », a été soutenue par les National Institutes of Health (R01 NS111982). Parmi les autres auteurs figurent Karthikeyan Balasubramanianb et Vasileios Papadourakis de l’Université de Chicago.

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