Le modèle d'ordinateur simule les rêveries

Bien que tout le monde rêve éveillé, la façon dont le cerveau crée des rêveries est obscure.

Maintenant, les scientifiques ont créé un modèle virtuel du cerveau qui rêve comme les humains.

La rêverie est traditionnellement définie comme un détachement à court terme de son environnement immédiat et comprend un fantasme visionnaire de pensées, d’espoirs ou d’ambitions heureux et agréables. Souvent, les rêveries surviennent lorsqu'un individu s'ennuie avec des tâches de routine.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont créé le modèle informatique basé sur la dynamique des cellules cérébrales et les nombreuses connexions que ces cellules établissent avec leurs voisins et avec des cellules d'autres régions du cerveau.

Ils espèrent que le modèle les aidera à comprendre pourquoi certaines parties du cerveau travaillent ensemble lorsqu'une personne rêve éveillée ou est mentalement inactive. Cela, à son tour, pourrait un jour aider les médecins à mieux diagnostiquer et traiter les lésions cérébrales.

«Nous pouvons donner à notre modèle des lésions comme celles que nous voyons dans les accidents vasculaires cérébraux ou le cancer du cerveau, désactivant des groupes de cellules virtuelles pour voir comment la fonction cérébrale est affectée», a déclaré l'auteur principal Maurizio Corbetta, M.D., de la Washington University School of Medicine à St. Louis. «Nous pouvons également tester des moyens de ramener les schémas d'activité à la normale.»

L'étude est maintenant disponible en ligne sur Le Journal of Neuroscience.

Les scientifiques ont reconnu pour la première fois à la fin des années 1990 et au début des années 2000 que le cerveau reste occupé même lorsqu'il n'est pas engagé dans des tâches mentales.

Les chercheurs ont identifié plusieurs réseaux cérébraux «à l'état de repos», qui sont des groupes de différentes régions cérébrales dont les niveaux d'activité augmentent et se synchronisent lorsque le cerveau est au repos. Ils ont également lié les perturbations des réseaux associés aux lésions cérébrales et aux maladies cérébrales à des problèmes cognitifs de mémoire, d'attention, de mouvement et d'élocution.

Le nouveau modèle a été développé pour aider les scientifiques à apprendre comment la structure anatomique du cerveau contribue à la création et au maintien des réseaux d’états de repos.

Les chercheurs ont commencé par un processus de simulation de petits groupes de neurones, y compris des facteurs qui diminuent ou augmentent la probabilité qu'un groupe de cellules envoie un signal.

«D'une certaine manière, nous avons traité de petites régions du cerveau comme des unités cognitives: non pas comme des cellules individuelles mais comme des groupes de cellules», a déclaré le co-auteur Gustavo Deco, Ph.D.

«L'activité de ces unités cognitives envoie des signaux excitateurs aux autres unités à travers des connexions anatomiques. Cela rend les unités connectées plus ou moins susceptibles de synchroniser leurs signaux. »

Sur la base des données de scintigraphies cérébrales, les chercheurs ont assemblé 66 unités cognitives dans chaque hémisphère et les ont interconnectées selon des modèles anatomiques similaires aux connexions présentes dans le cerveau.

Les scientifiques ont mis en place le modèle de sorte que les unités individuelles passent par le processus de signalisation à des fréquences basses aléatoires qui avaient été précédemment observées dans les cellules cérébrales en culture et dans les enregistrements de l'activité cérébrale au repos.

Ensuite, les chercheurs ont laissé le modèle fonctionner, modifiant lentement le couplage ou la force des connexions entre les unités. À une valeur de couplage spécifique, les interconnexions entre les unités envoyant des impulsions ont rapidement commencé à créer des modèles coordonnés d'activité.

«Même si nous avons commencé les unités cognitives avec de faibles niveaux d'activité aléatoires, les connexions ont permis aux unités de se synchroniser», a déclaré Deco.

«Le modèle spatial de synchronisation que nous avons finalement observé se rapproche très bien - environ 70% - des modèles que nous voyons dans les analyses de cerveaux humains au repos.»

L'utilisation du modèle pour simuler 20 minutes d'activité cérébrale humaine a nécessité 26 heures pour un groupe d'ordinateurs puissants. Mais les chercheurs ont pu simplifier les mathématiques pour permettre d'exécuter le modèle sur un ordinateur typique.

«Ce modèle de cerveau entier plus simple nous permet de tester un certain nombre d'hypothèses différentes sur la façon dont les connexions structurelles génèrent une dynamique de la fonction cérébrale au repos et pendant les tâches, et comment les lésions cérébrales affectent la dynamique cérébrale et la fonction cognitive», a déclaré Corbetta.

Source: Université de Washington à Saint-Louis