Les scintigraphies cérébrales montrent les effets de la stimulation thérapeutique du cerveau

De nouvelles recherches étonnantes fournissent aux cliniciens des preuves visuelles des réseaux cérébraux et de la manière dont la stimulation électrique du cerveau aide à réinitialiser ou à stimuler des régions cérébrales spécifiques.

Il est bien établi que la stimulation du cerveau par l'électricité ou d'autres moyens peut aider à soulager les symptômes de divers troubles neurologiques et psychiatriques. Les pratiques cliniques utilisent souvent l'approche pour traiter des conditions allant de l'épilepsie à la dépression.

Mais que se passe-t-il vraiment lorsque les médecins zappent le cerveau?

On sait peu de choses sur ce qui rend cette technique efficace ou sur les zones du cerveau qui devraient être ciblées pour traiter différentes maladies.

Une nouvelle étude menée par l'Université de Pennsylvanie et l'Université de Buffalo marque un pas en avant pour combler ces lacunes dans les connaissances. La recherche décrit comment la stimulation d'une seule région du cerveau affecte l'activation d'autres régions et l'activité à grande échelle dans le cerveau.

«Nous ne comprenons pas bien les effets de la stimulation cérébrale», a déclaré la première auteure Sarah Muldoon, Ph.D., professeure adjointe de mathématiques à l'Université de Buffalo.

«Lorsqu'un clinicien a un patient atteint d'un certain trouble, comment peut-il décider des parties du cerveau à stimuler? Notre étude est une étape vers une meilleure compréhension de la manière dont la connectivité cérébrale peut mieux éclairer ces décisions. »

«Si vous regardez l'architecture du cerveau, il semble que ce soit un réseau de régions interconnectées qui interagissent les unes avec les autres de manière complexe. La question que nous nous sommes posée dans cette étude était de savoir dans quelle mesure le cerveau est activé en stimulant une seule région.

«Nous avons constaté que certaines régions ont la capacité de diriger le cerveau dans divers états très facilement lorsqu'elles sont stimulées, tandis que d'autres régions ont moins d'effet», a déclaré Danielle S. Bassett, Ph.D., professeur agrégé de bio-ingénierie en l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Pennsylvanie.

La recherche a été réalisée en collaboration avec le neuroscientifique cognitif Jean M. Vettel, Ph.D., du Laboratoire de recherche de l'armée; le théoricien du contrôle Fabio Pasqualetti de l'Université de Californie à Riverside; Scott T. Grafton, M.D., et Matthew Cieslak de l'Université de Californie, Santa Barbara; et Shi Gu du département de psychiatrie de l'Université de Pennsylvanie.

L'étude, publiée dans Biologie computationnelle PLOS, a utilisé un modèle de calcul pour simuler l'activité cérébrale chez huit personnes dont l'architecture cérébrale a été cartographiée à l'aide de données dérivées de l'imagerie du spectre de diffusion. Cette technique d'imagerie crée un type d'image cérébrale prise par un scanner IRM.

Les chercheurs ont examiné l’impact de la stimulation de chacune des 83 régions du cerveau de chaque sujet. Bien que les résultats varient selon les personnes, des tendances communes sont apparues.

Les hubs de réseau - des zones du cerveau qui sont fortement connectées à d’autres parties du cerveau via la substance blanche du cerveau - ont montré ce que les chercheurs appellent un «effet fonctionnel élevé». Ils ont découvert que la stimulation de ces régions entraînait l'activation globale de nombreuses régions du cerveau.

Cet effet était particulièrement notable dans deux sous-réseaux du cerveau qui sont connus pour contenir plusieurs hubs régionaux.

Les zones comprennent le réseau sous-cortical (qui est composé de régions qui ont évolué relativement tôt et sont essentielles pour le traitement des émotions) et le réseau en mode par défaut (qui est composé de régions qui ont évolué plus tard et sont essentielles pour le traitement autoréférentiel lorsqu'une personne est au repos, ou n'effectuant aucune tâche).

Les régions stimulantes du réseau sous-cortical ont abouti à des changements globaux, dans lesquels une diversité de zones dans le cerveau d’un sujet s’éclairait.

La stimulation des régions dans le réseau en mode par défaut a également conduit facilement à une pléthore de nouveaux états cérébraux, bien que les modèles d’activation soient limités par l’architecture sous-jacente du cerveau - par les liens de substance blanche entre les nœuds du réseau et d’autres parties du cerveau.

Malgré cette limitation, l'agilité du réseau soutient l'idée que le cerveau au «repos» est bien adapté pour passer rapidement à un éventail de nouveaux états orientés vers l'accomplissement de tâches spécifiques.

Contrairement aux régions du réseau en mode par défaut et des réseaux sous-corticaux, des zones plus faiblement connectées, comme dans le cortex sensoriel et d'association, avaient un effet plus limité sur l'activité cérébrale lorsqu'elles étaient activées.

Ces schémas suggèrent que les médecins pourraient poursuivre deux classes de thérapies en matière de stimulation cérébrale: une «réinitialisation générale» qui modifie la dynamique cérébrale globale, ou une approche plus ciblée qui se concentre sur la dynamique de quelques régions seulement.

L’étude confirme les résultats des recherches antérieures de Bassett et d’autres sur la contrôlabilité des réseaux structurels du cerveau. Contrairement aux travaux antérieurs qui utilisaient la modélisation linéaire pour obtenir des résultats, la nouvelle étude a utilisé des modèles non linéaires qui reflètent plus précisément l'activité complexe du cerveau, a déclaré Muldoon.

Source: Université de Buffalo