Les neurones du cerveau humain transfèrent des informations entre eux. Vous voulez une carte de cela? Cela pourrait prendre un certain temps. Voir plus d'images de cerveau. ©iStockphoto.com/Kiyoshi Takahase Segundo Le cerveau humain est un nœud de 100 milliards de neurones et de cellules de soutien. Nous pouvons y stocker toute une vie de souvenirs. Nous pouvons l'utiliser pour écrire des sonnets et construire des avions. Sûr, le cerveau d'un éléphant est plus gros, pèse plus, et a plus de neurones, mais les éléphants manquent aussi de nos capacités. Intrigué ? Les scientifiques le sont certainement. C'est l'une des raisons pour lesquelles ils cartographient le cerveau humain, un projet substantiel qui pourrait prendre des décennies.
La cartographie du cerveau tente de relier la structure du cerveau à sa fonction, ou trouver quelles parties nous donnent certaines capacités. Par exemple, quel aspect de notre cerveau nous permet d'être créatifs ou logiques ? C'est appelé localisation de la fonction .
En cartographiant les fonctions cérébrales, les scientifiques utilisent l'imagerie pour observer le cerveau travailler sur diverses tâches. Charles Wilson, neurobiologiste à l'Université du Texas à San Antonio, explique la localisation de la fonction de cette façon :
Il y a une partie du cerveau qui a à voir principalement avec la vision et d'autres parties qui ont à voir principalement avec le son. Maintenant, pouvons-nous regarder dans la section vision et dire, Existe-t-il une partie spéciale du cerveau qui détecte les objets rouges et une autre qui détecte les objets verts ? Ou la même zone détecte-t-elle des objets des deux couleurs ?La cartographie du cerveau regarde également de l'extérieur vers l'intérieur. Elle examine comment notre environnement modifie la structure de notre cerveau en étudiant, par exemple, comment le cerveau change physiquement à travers les processus d'apprentissage et de vieillissement. La cartographie du cerveau examine également ce qui ne va pas physiquement dans le cerveau pendant les maladies mentales et autres maladies du cerveau.
Finalement, la cartographie du cerveau vise à nous donner une image complète de la structure de notre cerveau. Google Earth nous montre des images satellites de notre planète et zoome sur les continents, des pays, États, villes, autoroutes, rues et bâtiments. Une carte structurelle complète de notre cerveau pourrait être similaire. Cela pourrait nous montrer tout notre cerveau; toutes les régions, lobes fonctionnels, centres spécialisés, des "faisceaux" de neurones épais reliant les parties du cerveau, circuits neuronaux, neurones isolés, jonctions entre les neurones et enfin, parties des neurones. Les scientifiques développent toujours les parties qui pourraient former cette carte massive.
La cartographie du cerveau est une collection de nombreux outils différents. Les chercheurs doivent collecter des images du cerveau, transformer ces images en données, puis utiliser ces données pour analyser ce qui se passe dans le cerveau au fur et à mesure qu'il se développe.
Lisez la suite pour savoir comment les chercheurs cartographient le cerveau.
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Nous avons parcouru un long chemin depuis cela. Mark Strozier/©istockphoto.com Les scientifiques utilisent de nombreuses méthodes pour étudier la structure et la fonction du cerveau. Ils prennent des photos de cerveaux sains et les comparent à des cerveaux malades. En outre, ils examinent des cerveaux prélevés sur des humains, des primates et des petits mammifères et essayer de comprendre comment fonctionnent les petits systèmes nerveux des invertébrés. Au niveau microscopique, ils examinent également les neurones.
Voici quelques outils utilisés dans la cartographie du cerveau. Ces techniques prennent des images du cerveau :
Ces techniques examinent l'activité cérébrale :
De nouvelles méthodes permettent aux chercheurs de voir toutes les connexions entre les neurones dans un cerveau intact. Cette branche d'étude s'appelle connectomique. Le "schéma de câblage" d'un cerveau s'appelle un connectome [source :Lichtman]. "Jusque récemment, nous n'avons eu aucun espoir d'obtenir ces schémas de câblage, " dit Jeff Lichtman, un biologiste de Harvard qui a dirigé le groupe qui a développé certaines des nouvelles techniques. « Nous pouvions voir des cellules individuelles, mais jamais tous à la fois."
Brainbow a étiqueté les neurones de ce cerveau de souris transgénique avec environ 90 combinaisons de couleurs différentes. Stringer/Getty Images/AFP Une de ces techniques, connu comme Arc-en-ciel , étiquette chaque neurone du cerveau d'un animal vivant d'une couleur différente. En générant des images du cerveau de l'animal, les scientifiques peuvent voir où et comment les neurones se connectent les uns aux autres. Au fur et à mesure que l'animal grandit et vieillit, ils peuvent également observer comment les neurones modifient les connexions.
Une autre technique utilise le ATLUM, ou ultramicrotome de tour automatique de collecte de ruban . Cette machine lit le schéma électrique d'un cerveau. "Nous faisons quelque chose comme éplucher une pomme, " explique Lichtman. " Nous rasons essentiellement une coupe en spirale lorsque nous faisons tourner le cerveau sur un tour et mettons ce ruban de tissu sur une bande. Nous finirons par obtenir une bande extrêmement longue, qui est essentiellement l'ensemble du cerveau. A l'aide d'un microscope électronique, nous allons imager cela pour voir la structure du câblage."
Jusque là, Brainbow et l'ATLUM ne sont utilisés que pour étudier des animaux avec des cerveaux relativement petits, comme des souris.
Donc, à quoi ça sert? Quoi, si quoi que ce soit, la cartographie peut-elle accomplir ? Découvrez ce que nous pouvons apprendre de la cartographie du cerveau humain à la page suivante.
Une IRMph peut-elle étudier la douleur ?Dans une étude du Centre britannique d'Oxford pour l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle du cerveau, les chercheurs ont enregistré des images du cerveau des patients alors que leur peau était brûlée et que les patients recevaient des doses croissantes d'analgésiques. Les centres de la douleur dans le cerveau des patients sont devenus moins actifs à mesure que les doses de médicament augmentaient. Cette mesure directe de l'effet d'un médicament sur le cerveau peut éventuellement être utilisée pour tester des médicaments psychiatriques [source :Matthews].
Pourquoi les scientifiques se chargeraient-ils de la tâche ardue de cartographier le cerveau ? La réponse est simple, dit Lichtman :pour comprendre notre cerveau plus intimement. Nous n'avons jamais vu de schéma montrant comment tous les neurones du cerveau se connectent. Comme le dit Jeff Lichtman, "Une grande partie de notre réflexion sur le cerveau est basée sur une connaissance incomplète de ce qui s'y trouve réellement. Nous aimerions donc voir ce qui s'y trouve réellement."
Le schéma de câblage du cerveau peut nous aider à mieux comprendre comment nous apprenons et nous nous adaptons, dit Lichtman. "Nous commençons par être moins bien adaptés à notre environnement que tout autre animal. À l'âge adulte, nous pouvons utiliser des outils que notre héritage génétique n'aurait pas pu apprendre à notre système nerveux à utiliser - comme les iPods. Aucun autre animal ne peut le faire. Au cours de notre développement, nous devons nous câbler pour [pouvoir] utiliser ces machines."
La cartographie du cerveau est également d'une utilité pratique pour les médecins. Les neurochirurgiens utilisent la cartographie du cerveau pour planifier des chirurgies plus sûres. Un traitement contre l'épilepsie, par exemple, supprime la partie affectée du cerveau. En utilisant l'IRM fonctionnelle et l'EEG, les chirurgiens peuvent localiser le centre des crises dans le cerveau d'un patient - ainsi que les zones actives pendant la parole et le mouvement - au millimètre près. Ces images indiquent aux médecins quoi laisser et quoi découper.
L'imagerie cérébrale n'est pas seulement utilisée dans le traitement. Il est utilisé pour diagnostiquer des maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson et la maladie d'Alzheimer [source :Wilson]. En utilisant des techniques de marquage comme le PET, les médecins recherchent des gouttes dans certains produits chimiques du cerveau, ou ils peuvent utiliser l'IRM pour examiner les rétrécissements dans les zones montrant une perte de tissu. Heures supplémentaires, les médecins peuvent cartographier à quoi ressemble le cerveau à mesure que les maladies progressent ou que les traitements fonctionnent [source :Institute for Neurodegenerative Disorders].
Les troubles du développement comme l'autisme peuvent avoir une base structurelle dans le cerveau. Lichtman souligne que l'autisme impliquerait une série de mauvaises connexions entre les neurones. En appliquant Brainbow à une souris autiste, les chercheurs pourraient voir le schéma de câblage évoluer pour savoir comment, quand et si le câblage va mal.
Les scientifiques ont également cherché à illustrer les effets de diverses maladies mentales dans le cerveau, avec un certain succès. L'imagerie cérébrale sur ces patients a révélé des anomalies structurelles. Par exemple, L'IRM structurale a montré que les patients schizophrènes perdent de la matière dans le temporel et cortex préfrontal au fil du temps [Source :Rapoport]. Ces découvertes n'ont pas encore abouti à des traitements.
Trouble panique, trouble bipolaire, dépression, anxiété, les troubles de l'alimentation et d'autres sont examinés à l'aide de différentes techniques d'imagerie cérébrale, mais comment interpréter les découvertes des scientifiques ? Plus important, où peut-on les voir ? Découvrez-le à la page suivante.
Sarcasme cartographié. La conscience toujours insaisissable.Les médecins et les scientifiques ont appris plus de la cartographie du cerveau que cet article ne peut couvrir. Voici deux faits saillants :
Le cofondateur de Microsoft, Paul G. Allen, vante l'achèvement de l'Allen Brain Atlas à Capitol Hill en septembre 2006. Le projet étudie l'expression des gènes dans le cerveau des souris. Mark Wilson/Getty Images Actualités La neuroinformatique place toutes les données que nous avons sur le cerveau sur Internet sous une forme utilisable. Les données comprennent des images, des modèles de comportement des neurones et des cartes des gènes qui sont « activés » dans différentes régions du cerveau. En rendant les données partageables et consultables, les chercheurs sur le cerveau peuvent se greffer sur les études des uns et des autres et en découvrir plus.
Les ingénieurs écrivent des logiciels pour aider les chercheurs sur le cerveau à partager et à comparer des données. Le logiciel analyse maintenant, par exemple, si les IRM de patients atteints d'Alzheimer avec différentes tailles et formes de cerveau ont des caractéristiques cérébrales similaires. Les hommes avec une certaine architecture cérébrale sont-ils prédisposés au trouble bipolaire ? Cette question, et plein d'autres, peut un jour être répondu par des programmes informatiques qui ré-analysent les images des anciens patients plutôt que par l'étude de nouveaux.
Voici des exemples d'atlas du cerveau que les chercheurs peuvent exploiter pour trouver des réponses :
Les images ne sont pas la seule source d'information. Voici des exemples de bases de données utilisées par les chercheurs sur le cerveau :
Maintenant que nous pouvons cartographier le cerveau humain, jusqu'où sommes-nous allés ? Avons-nous finit? Sommes-nous encore proches ? Découvrez-le à la page suivante.
Une femme examine une exposition à Dresde, Allemagne, montrant les processus neurobiologiques du cerveau humain. Pourrions-nous éventuellement cartographier des émotions comme le bonheur ? Norbert Millauer/DDP Après avoir imaginé le cerveau de populations suffisamment importantes pour générer des statistiques, les chercheurs ont réalisé des cartes cérébrales sophistiquées. Il existe des cartes pour illustrer où nous perdons du volume cérébral en vieillissant, à mesure que le sida progresse et que nous utilisons des méthamphétamines.
À quoi ressemblerait une carte complète du cerveau humain ? Cela dépend de vos intérêts. Si vous avez soif de connaître la structure du cerveau, vous voudrez peut-être voir cette version hypothétique de Google Earth qui peut commencer par une image de notre cortex et zoomer sur le neurone numéro 888, 898, 432, 857.
Ce complet, Le type de carte Google Earth est bloqué à de nombreux endroits. L'un de ces points est l'imagerie de tous les neurones du cerveau humain et de leurs connexions. Même obtenir ces données dans la souris est laborieux, dit le biologiste de Harvard Jeff Lichtman. Au rythme le ATLUM et un microscope électronique fonctionnent maintenant, obtenir une carte de tous les neurones interconnectés dans le cerveau de la souris prendrait 200, 000 semaines, Lichtman estime. Les données seraient "plus grandes que toutes les données sur Internet - plus grandes que toutes les données de toutes les bibliothèques du monde, " dit-il. " Pour le moment, le type de stockage qui est possible sur les ordinateurs n'est pas tout à fait à la hauteur." Le seul "cerveau" pour lequel nous avons une carte complète des neurones interconnectés appartient à C. elegans , "un ver d'un millimètre de long et doté de 300 cellules nerveuses, " dit Lichtman.
De nouveau, votre définition d'une carte cérébrale complète dépend de vos intérêts. Si vous êtes neuropsychiatre, par exemple, une carte complète du cerveau pourrait être une image en accéléré montrant comment le trouble bipolaire se déroule dans le cerveau de la naissance au premier symptôme et ce que fait le lithium pour arrêter le processus.
Cela ne vous suffira peut-être pas. Vous voudrez peut-être connaître le fonctionnement du cerveau jusqu'au dernier centimètre. Malheureusement, c'est impossible. Nous ne pouvons pas capturer les fonctions qui se produisent trop rapidement ou trop lentement, dit le neurobiologiste Charles Wilson. D'autres processus prennent toute une vie. Aucune étude d'imagerie n'a suivi une personne de sa naissance à sa mort. « Aucune méthode que nous connaissons ne gère chaque fois que cela nous intéresse. Aucune méthode que nous connaissons n'en gère plus qu'une infime partie, " dit Wilson. À ce stade, Lichtman dit qu'il n'y a actuellement aucun effort en cours pour intégrer toutes ces cartes en une seule.
Mais il n'y a aucune raison fondamentale pour laquelle nous ne pouvons finalement pas avoir aucune - ou toutes - de ces cartes, dit Wilson. "Les problèmes sont tous des problèmes technologiques pratiques qui peuvent être surmontés. Comme pour toute carte, si vous commencez avec une carte brute, c'est mieux que pas de carte. Et vous n'avez pas besoin d'une nouvelle carte. Vous ajoutez simplement des informations à l'ancienne carte pour la rendre plus raffinée. Nous n'allons pas nous réveiller un jour et avoir ça. Nous allons en rajouter un peu aujourd'hui, un peu demain, et à un moment donné, nous allons dire, 'Wow, ça commence à avoir l'air plutôt bien.'"
Pour plus d'informations sur le processus de cartographie du cerveau, jetez un oeil à la page suivante.
Vous utilisez toutC'est un mythe que nous n'utilisons que 10 pour cent de notre cerveau. Nous utilisons tout. Les images cérébrales ont collectivement documenté l'activité dans toutes les parties. Quoi de plus, les dommages à une petite zone peuvent anéantir des capacités majeures. En savoir plus sur le mythe du cerveau de 10 pour cent sur le site Web du professeur Eric Chudler à l'Université de Washington.
