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L’énergie noire du cerveau

le 4 janvier 2014 | par Philippe Roi et Tristan Girard

Par Philippe Roi(1), Tristan Girard(2)

(1)Chercheur en Sciences Cognitives, spécialisé en Archéologie Cognitive ; (2)Chercheur en Sciences Cognitives.

Si le cerveau est l’organe qui consomme le plus d’énergie dans l’organisme – soit 20 % alors qu’il ne représente que 2 % du poids de ce dernier – on estime que seule une faible part de l’activité neuronale résulte de réactions à des stimuli. L’imagerie fonctionnelle, avec la tomographie par émission de positrons et l’imagerie par résonance magnétique nous révèlent en effet que lors des réactions à des stimuli, les augmentations du flux sanguin dans le cerveau – mesurées par la quantité d’oxygène que le sang transporte – ne représentent que 5 à 10 % du flux normal. Parfois même, l’accroissement de la consommation d’énergie associée à ces modifications circulatoires ne dépasse pas 1 %. Ce qui signifie que le cerveau dépense la majeure partie de l’énergie qu’il consomme à des activités dont nous ignorons tout à ce jour. Or, cette connaissance est essentielle pour comprendre la nature profonde de la fonction cérébrale. Ce constat n’est pas récent, même si ce n’est qu’aujourd’hui que nous pouvons l’étudier de façon quantitative. Depuis plus de deux siècles, deux idées coexistent. La première considère que le cerveau agit sous l’effet d’informations recueillies par les sens : l’acquis ; la seconde estime qu’il opère de façon autonome et que les stimuli sensoriels interagissent avec son fonctionnement plus qu’ils ne le déterminent : l’inné. Si aucune de ces deux idées ne l’a encore emporté, c’est tout de même la première qui motive l’essentiel des recherches en neurosciences ; ceci n’est guère étonnant si l’on considère l’immense succès des expérimentations mesurant les réactions du cerveau à des stimuli externes. Cependant, n’étudier que ses réactions aux stimuli occulte une grande partie du fonctionnement cérébral, car ainsi que nous l’avons dit précédemment, l’activité neuronale consomme de façon spontanée beaucoup plus d’énergie que lorsqu’elle réagit à des stimuli. Alors à quoi sert cette « énergie noire » (1), ainsi nommée en référence aux découvertes des astrophysiciens, qui ont calculé que l’ensemble des étoiles et des planètes ne représentent qu’une infime partie de l’énergie totale de l’univers ? Pour l’équipe de Malia Mason, du Dartmouth College d’Hanover dans le New-Hampshire (USA), cette « énergie noire » ne reflète que la cognition libre, autrement dit les pensées indépendantes de tout stimulus, telles que les rêves éveillés (2). À partir de ce postulat, Marcus Raichle, professeur à la faculté de médecine de l’Université Washington à Saint-Louis dans le Missouri (USA) répond que si, effectivement, la cognition libre représente une fraction de l’activité cérébrale, elle ne peut être la cause de la majorité de la dépense énergétique puisque, sous anesthésie générale – par conséquent, sans cognition consciente – l’activité spontanée est toujours soutenue. Il en déduit donc que la cognition libre doit, comme la réponse à des stimuli contrôlés, ne représenter qu’une part infime de l’ensemble du travail cérébral (3). Pour Emilio Salinas de la faculté de médecine de Wake Forest en Caroline du Nord (USA) et Terrence Sejnowski, de l’Université de San Diego en Californie (USA), l’activité spontanée du cerveau facilite la réaction aux stimuli en équilibrant les informations excitatrices et inhibitrices que reçoivent en permanence les neurones. C’est de cet équilibre que dépendrait leur réactivité (4). Cette hypothèse est séduisante, car elle est aussi employée en ingénierie où l’ajustement d’un équilibre de forces permet une manipulation plus précise d’un objet que l’application d’une force unique. Cela implique une consommation d’énergie plus importante pouvant être multipliée par deux, voire trois dans certains cas exceptionnels. Appliquée au cerveau, cette proportion ne représente que 10 à 30 % maximum de la consommation cérébrale et ne justifie pas les 70 % restants. Enfin, pour Bruno Olshausen de l’Université de Cornell (USA), cette activité spontanée permanente permet au cerveau de se représenter et de traiter les informations de manière globale et cohérente (5). En résumé, le cerveau serait doté, dès sa conception, de capacités de classification et de prédictions génétiquement déterminées. Celles-ci lui permettraient, au fur et à mesure de ses expériences, de construire une représentation du monde relative aux connaissances acquises et d’opérer des prédictions sur l’avenir. Si rien ne s’oppose à cette hypothèse, cette dernière, néanmoins, ne permet pas d’énoncer les fonctions de l’activité spontanée, ni de justifier les quantités considérables d’énergie noire consommée par le cerveau. Il est vrai que l’approche expérimentale est au centre d’un dilemme. Celle-ci doit en effet révéler la nature de cette activité sans avoir recours aux stimuli contrôlés. Les signaux émis lors des expérimentations IRMf (imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle) sont si bruyants que les chercheurs sont contraints de corriger leurs données pour réduire ce bruit et augmenter l’intensité du signal qu’ils cherchent à isoler. Or, une part considérable de ce bruit continu traduit non seulement une activité neuronale spontanée, mais révèle aussi, malgré l’absence de comportements observables, des schémas de cohérence au sein de systèmes cérébraux connus. Cela pourrait signifier, comme le pense Bruno Olshausen, que ces systèmes sont actifs et ne servent pas seulement à répondre à des besoins, mais aussi à les anticiper en fonction d’expériences passées. Cette théorie semble confirmée par les récentes découvertes des chercheurs de Neurospin (Centre d’imagerie cérébrale en champ intense de Saint Aubin en Essonne-France) qui ont démontré, au cours de l’année 2008, que des fluctuations spontanées des zones spécialisées du cerveau avaient un impact sur la perception. Pour ce faire, ils ont soumis douze sujets volontaires à une IRMf en leur présentant de manière brève (150 ms) et répétée (à intervalles réguliers d’au moins 20 s) un stimulus ambigu. Celui-ci représentait un vase constitué de deux visages. Lors des essais, 50 % des sujets ont perçu le vase, tandis que les 50 % des sujets restants ont distingué les visages. En étudiant les résultats détaillés des IRMf, les chercheurs ont constaté chez les sujets qui avaient perçu les visages, un niveau élevé d’activité spontanée d’une zone du cerveau très fortement impliquée dans la reconnaissance faciale, et cela, bien avant de percevoir le stimulus ambigu. Ces fluctuations spontanées, considérées par beaucoup de chercheurs comme du « bruit », étaient de surcroît plus élevées que dans les essais où les sujets avaient perçu le vase. Ils en déduisirent que plus l’activité spontanée dans cette zone avant présentation du stimulus était intense, plus les probabilités que le sujet voit les visages plutôt que le vase étaient grandes. Cela signifie qu’il est possible de déduire, de l’activité spontanée d’un sujet, de quelle façon il percevra le stimulus, et ce bien avant sa présentation. Ces résultats remettent en question la vision béhavioriste du cerveau. Contrairement aux idées reçues, celui-ci n’est pas silencieux en l’absence de stimulations sensorielles et ne réagit pas de façon réflexive aux stimuli extérieurs. Les fluctuations de l’activité spontanée correspondent à une dynamique intrinsèque du cerveau qui ne s’arrête jamais de générer des hypothèses sur les représentations qu’il se fait du monde.
Pour notre part, nos observations nous conduisent à penser que l’activité spontanée du cerveau est celle du non-conscient cognitif animé par une grande quantité d’énergie noire grâce à laquelle il catégorise son environnement sous la forme de séquences sensorielles complexes. L’évolution du cerveau résulte, en effet, d’une interdépendance étroite avec son environnement dont la contrainte majeure est la gravité. C’est sur la base de cette référence fondamentale et de la perception sensorielle que l’homme planifie ses actions. Ce qui nous conduit en premier lieu à nous interroger sur le principal moyen que les organes des sens utilisent pour transmettre rapidement leurs informations au cerveau. La majorité des neurobiologistes s’accordent, à ce sujet, sur le rôle primordial des potentiels d’action. Cependant, leurs avis divergent quant à la nature du code neuronal véhiculé par ces impulsions nerveuses. Un mouvement, un contact sur la peau, une substance alimentaire, un odorant, une vibration sonore, un déséquilibre ou une onde lumineuse provoquent une augmentation de la fréquence de décharge des potentiels d’action. Quand le même stimulus se répète en boucle, le nombre moyen d’impulsions est relativement stable, bien que le déphasage temporel des potentiels d’action puisse varier. Par exemple, une cellule sensorielle va émettre 12 impulsions de plus que son taux spontané, puis 11, 14 et 15 impulsions lors de sa stimulation. La réponse moyenne de la cellule sensorielle sera donc de 13 impulsions. Ce comportement est couramment observé et justifie l’idée selon laquelle les cellules sensorielles encodent l’information par la fréquence des potentiels d’action qu’elles émettent ; l’information pertinente serait ainsi représentée par cette fréquence, certes variable, mais pouvant faire l’objet d’une moyenne sur de nombreux essais. Ce codage nécessite une population de neurones dédiés qui partagent plus ou moins les mêmes caractéristiques, avec l’avantage de résister aux perturbations. Elle est simple, efficace et semble compatible avec des décennies de travaux aussi bien théoriques qu’empiriques, notamment pour les neurones sensoriels. Il faut savoir, cependant, que de nombreuses expériences suggèrent que le code neural dépasse le simple codage par la fréquence. En réalité, les neurones sensoriels effectueraient des opérations beaucoup plus complexes et la distribution temporelle fine des potentiels d’action contiendrait de nombreuses informations que nous ne savons pas encore interpréter. Le mot ‘information’ doit être pris ici dans son sens courant, qui n’est pas celui de la théorie de la communication de Claude Shannon, formalisée comme réduction d’incertitudes. Les informations dont il est question ici sont des renseignements que le système nerveux central reçoit et qui permettent à l’organisme d’acquérir une connaissance sur le monde extérieur et intérieur qu’il perçoit. Ces renseignements sont codés sous forme de potentiels d’action, indexés et transmis dans le but d’engendrer une réponse essentiellement sous la forme d’opérations motrices et de sécrétions endocrines. Le cerveau ne perçoit donc l’environnement que par l’intermédiaire des organes des sens et ne peut mettre en pratique les idées qu’il engendre que par leur intercession. Il est par conséquent envisageable qu’il emploie une codification sensorielle pour intégrer et combiner les informations transmises simultanément par ses récepteurs sensoriels pour obtenir une représentation unifiée du monde et interagir correctement avec lui. Cette codification serait non-consciente pour ne pas submerger le conscient, et spontanée afin de catégoriser les stimuli en les regroupant selon les caractères qu’ils ont en commun. De même que les informations nécessaires au développement et au fonctionnement des organismes vivants sont fournies par six composés chimiques – à savoir un groupement phosphate, un sucre et quatre bases azotées, qui forment les nucléotides de l’ADN – il est possible de concevoir que les informations relatives à ce que l’homme perçoit de l’univers fassent l’objet, par le non-conscient cognitif, d’une synthèse à partir d’un code sensoriel. Celui-ci serait constitué de sept symboles : le pied, la main, la bouche, le nez, l’oreille, le vestibule et l’œil, agencés sous forme de séquences pour constituer des assemblées de neurones associés dans différents sites du cerveau.
Connaître les lettres d’un alphabet ne signifie pas cependant maîtriser un langage, surtout s’il est plus avancé que ceux qui nous sont familiers, c’est-à-dire fonctionnant à de multiples niveaux et dans de multiples dimensions. Nous avons besoin aussi d’un mode d’emploi des principes élémentaires ou fondamentaux. En fait, celui-ci a toujours été là, enfoui dans notre non-conscient cognitif. Il s’est lentement constitué au cours de l’évolution et apparaît en filigrane à travers toutes nos pensées, nos actions et nos réalisations. Il nous faut seulement apprendre à le discerner au sein de cette masse croissante d’informations qui le dissimule à notre conscient. C’est l’objet de nos recherches actuelles.

 

NOTES
(1) Daninos, F.; Astier, P.; Pain, R. (2008).
(2) Mason, M. et al. (2007).
(3) Raichle, M.E. (2006).
(4) Salinas, E.; Sejnowski, T.J. (2001).
(5) Olshausen, B. (2002).

 

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TABLE DES ILLUSTRATIONS
1) Première de couverture du journal Scientific American, March 2010.
2) Oxford University Press © Zhang, D. et al. Cereb. Cortex doi:10.1093/cercor/bhp182.
3) M.E. Raichle ‘The Brain’s Dark Energy.’ Science. Vol. 314. Published by AAAS (2006) pp. 1249-1250.

 

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