211service.com
Huit façons dont les scientifiques dévoilent les mystères du cerveau humain
Nhung Le
Il n'y a pas de plus grand mystère scientifique que le cerveau. Il est composé principalement d'eau; une grande partie du reste est en grande partie grasse. Pourtant, cette masse de matière d'environ trois livres produit nos pensées, nos souvenirs et nos émotions. Il régit la façon dont nous interagissons avec le monde et dirige notre corps. De plus en plus, les scientifiques commencent à démêler les complexités de son fonctionnement et à comprendre comment les 86 milliards de neurones du cerveau humain forment les connexions qui produisent des idées et des sentiments, ainsi que la capacité de communiquer et de réagir. Voici notre tour d'horizon de certaines des recherches les plus pointues et pourquoi c'est important.
Comment un ensemble de cellules crée-t-il des pensées et des comportements ?
Ce que c'est:
Les neuroscientifiques cognitivo-comportementaux étudient comment les protéines, les gènes et les structures de notre cerveau engendrent des comportements et des processus mentaux. Comment le cerveau apprend-il et se souvient-il des choses ? Comment prend-il des décisions ? Comment traite-t-il et répond-il au monde ?
Pourquoi est-ce important:
Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2021
- Voir la suite du problème
- S'abonner
Comprendre la mémoire peut nous aider à traiter la maladie d'Alzheimer ; comprendre la recherche de récompense peut aider à lutter contre la dépendance ; comprendre les émotions peut fournir de nouveaux indices sur la prévention de la dépression.
Sur le fil du rasoir:
Sheena Josselyn, neuroscientifique au Hospital for Sick Children de Toronto, étudie comment et où le cerveau stocke les souvenirs. Elle dit que l'identification des circuits neuronaux - des groupes de neurones interconnectés - responsables du stockage de souvenirs spécifiques pourrait être la clé du traitement des troubles de la mémoire, car il n'est pas optimal de simplement donner à quelqu'un un médicament qui affecte tout le cerveau.
Histoire connexe
Pourquoi vous sentez-vous seul ? Les neurosciences commencent à trouver des réponses. La chasse à la solitude d'un neuroscientifique pourrait nous aider à mieux comprendre les coûts de l'isolement social.Nous ne pouvons pas traiter le cerveau comme un bol de soupe - si nous ajoutons un peu d'origan, tout ira mieux, dit Josselyn. Nous devons comprendre exactement où nous voulons cibler les choses. Pour créer des traitements plus précisément ciblés, elle souhaite mieux comprendre les neurones et les circuits neuronaux qui jouent un rôle important dans la formation, l'hébergement et le rappel d'un souvenir.
Récemment, le laboratoire de Josselyn a identifié un nouvelle voie importante pour retrouver des souvenirs plus anciens . Cette voie mène de l'hippocampe - une région du cerveau qui contrôle l'apprentissage et la mémoire - au thalamus, qui agit comme une sorte de station de relais d'informations sensorielles dans le cerveau. Lorsque les chercheurs ont désactivé cette voie chez les souris, les animaux pouvaient se souvenir d'une expérience de la veille, mais pas du mois précédent.
Kay Tye, professeur de neurosciences à l'Institut Salk, étudie les voies neuronales impliquées dans l'apprentissage et dans les émotions telles que la solitude pour faire la lumière sur la toxicomanie et l'anxiété. Le laboratoire de Tye a identifié un voie neuronale qui aide à guider le comportement lorsque des signaux simultanés signalent des résultats positifs et négatifs.
La prochaine frontière :
Une fois que nous aurons mieux compris les régions cérébrales, les voies et les neurotransmetteurs impliqués dans la mémoire, l'anxiété et la peur, et comment ceux-ci peuvent être modifiés, nous pourrons développer des stratégies plus précises pour traiter les maladies.
C'est dans tes gènes
Ce que c'est:
Le domaine de la neurogénétique explore comment les gènes affectent la structure et la fonction du système nerveux.
VeloursPourquoi est-ce important:
Si nous parvenons à identifier le rôle des gènes, nous pourrons peut-être diagnostiquer plus précisément les troubles cérébraux, voire intervenir pour stopper leur progression.
Sur le fil du rasoir:
Steven McCarroll, directeur de la neurobiologie génomique pour le Stanley Center for Psychiatric Research du Broad Institute, étudie les gènes liés à la schizophrénie. En collaboration avec une équipe de chercheurs, il a identifié des variants dans un gène associé à la maladie ; ces variantes ont généré plus d'une protéine impliquée dans le marquage des synapses (connexions entre les neurones) pour l'élimination.
Lorsque McCarroll et ses collègues ont augmenté l'expression du gène chez la souris, les souris se sont retrouvées avec moins de synapses . Leur mémoire de travail était altérée et leur comportement social a changé. Les chercheurs pensent que ces variations génétiques peuvent être liées à la pertes de synapses et les changements de comportement observés chez les personnes atteintes de schizophrénie.
Ying-Hui Fu, professeur de neurologie à l'Université de Californie à San Francisco, a identifié trois mutations génétiques différentes qui réduisent la quantité de sommeil dont les gens ont besoin.
L'un d'eux protège même contre les problèmes de mémoire normalement associés à la privation de sommeil.
D'autres chercheurs recherchent gènes qui maintiennent les gens relativement en bonne santé même lorsqu'ils sont porteurs d'autres gènes qui les exposent au risque de développer la maladie d'Alzheimer à un stade précoce.
La prochaine frontière :
En identifiant comment les gènes contribuent aux maladies, les scientifiques pourraient être en mesure de développer des traitements, peut-être en utilisant des médicaments pour bloquer l'action d'une protéine produite par un gène pathogène ou pour imiter les actions d'un gène protecteur. Des thérapies géniques sont également explorées pour faire taire les gènes nocifs. Un tel traitement pour la maladie neurologique la sclérose latérale amyotrophique (ALS) a été autorisé pour des essais aux États-Unis ; un essai de thérapie génique pour La maladie de Huntington est en cours.
Ingénierie du cerveau
Ce que c'est:
Les neuroingénieurs cherchent des moyens de connecter le système nerveux, y compris le cerveau, aux machines. Des dispositifs expérimentaux peuvent traduire l'activité neuronale en texte ou lui faire déplacer un membre artificiel ; certains convertissent les informations provenant de capteurs artificiels en stimulation nerveuse que le cerveau peut comprendre.
Pourquoi est-ce important:
La technologie peut désormais aider à restaurer la capacité de communiquer, de ressentir des sensations et de bouger chez les personnes paralysées ou amputées. Les implants stimulant le cerveau peuvent également offrir de nouvelles façons de traiter épilepsie , la douleur chronique , et cécité .
Histoire connexe
Le chirurgien qui veut vous connecter à Internet avec un implant cérébral Eric Leuthardt pense que dans un avenir proche, nous autoriserons les médecins à insérer des électrodes dans notre cerveau afin que nous puissions communiquer directement avec les ordinateurs et entre nous.Sur le fil du rasoir:
Les neuroingénieurs de Stanford utilisent des mesures de l'activité cérébrale pour aider à restaurer la fonction chez les personnes paralysées. Récemment, travaillant avec un homme paralysé du cou jusqu'aux pieds, les chercheurs implanté deux réseaux de minuscules électrodes dans une partie de son cerveau responsable du mouvement de la main. Alors que l'homme imaginait écrire des lettres, les scientifiques ont utilisé l'apprentissage automatique pour traduire son activité cérébrale en lettres sur un écran. En utilisant ce système, l'homme pouvait écrire 90 lettres par minute, soit plus du double du précédent record de dactylographie via l'activité cérébrale.
À l'avenir, ces appareils pourraient améliorer la cognition, nous permettre de communiquer de cerveau à cerveau ou de créer des expériences de réalité virtuelle ultra-réalistes intégrant tous nos sens.
D'autres neuroingénieurs travaillent sur des prothèses capables de transmettre des informations sensorielles à l'utilisateur. Luke Osborn, neuroingénieur à l'Université Johns Hopkins, travaille sur les moyens de transmettre différents types de sensations chez les personnes amputées en stimulant les nerfs du membre au-dessus du site d'amputation. Jusqu'à présent, les appareils peuvent transmettre des sensations de pression et même de légères douleurs. Les sensations de douleur sont une source d'information essentielle, dit Osborn, nous permettant de savoir quand nous pourrions faire quelque chose de dangereux.
La prochaine frontière :
Les appareils qui connectent les cerveaux et les ordinateurs pourraient potentiellement être utilisés non seulement pour restaurer des fonctions qui ont été perdues, mais aussi pour améliorer les capacités de notre cerveau. À l'avenir, ces appareils pourraient améliorer la cognition, nous permettre de communiquer de cerveau à cerveau ou de créer des expériences de réalité virtuelle ultra-réalistes intégrant tous nos sens.
Comment faire un cerveau
Ce que c'est:
Les neurosciences du développement explorent comment la structure et la fonction du cerveau changent au fil du temps à mesure qu'un organisme mûrit. Comment les neurones individuels trouvent-ils leur chemin vers la bonne place dans le cerveau ?
Pourquoi est-ce important:
Comprendre le développement du cerveau - et ce qui le fait mal tourner - pourrait nous aider à traiter des conditions telles que la microcéphalie, l'autisme et le TDAH. Et si nous savons comment les événements avant la naissance et pendant l'enfance affectent la structure et la fonction du cerveau en développement, nous serons mieux en mesure de donner aux enfants la meilleure chance de se développer sainement.
Sur le fil du rasoir:
Madeline Lancaster, du Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology au Royaume-Uni, étudie le développement du cerveau à l'aide d'organoïdes, des amas de cellules tridimensionnelles dérivées de cellules souches humaines qui s'auto-organisent en un organe miniature simplifié, mais toujours semblable au cerveau. Pour modéliser plus précisément le cerveau humain, elle crée organoïdes qui vivent plus longtemps et imiter différents types de structures cérébrales.
Grâce à cette approche, Lancaster a découvert qu'une protéine appelée ZEB2 est essentiel pour réguler la remarquable expansion du développement qui rend le cerveau humain tellement plus gros que le cerveau des grands singes. Comprendre les processus qui régissent la taille du cerveau pourrait nous aider à mieux comprendre les causes de la microcéphalie et d'autres troubles dans lesquels le cerveau fœtal ne se développe pas correctement.
Histoire connexe
De minuscules amas cérébraux offrent de nouveaux indices sur la cause de l'autisme Les organoïdes cérébraux fabriqués à partir des cellules souches de patients autistes pourraient aider les chercheurs à déterminer les facteurs qui conduisent au trouble.Le développement du cerveau après la naissance est également important. Rebecca Saxe du MIT travaille à comprendre les structures cérébrales et les activités responsables de la cognition sociale, ce qui nous permet de prendre en compte les états mentaux des autres.
Saxe a découvert un particulier région du cerveau c'est la clé ; en étudiant l'évolution de l'activité dans cette région et dans d'autres au fil de l'enfance , elle peut être en mesure de comprendre comment se développent les capacités sociales. Elle a également découvert que ces schémas d'activité cérébrale sont altérés chez les personnes atteintes de troubles du spectre autistique .
La prochaine frontière :
Même si les chercheurs commencent à comprendre certains des processus qui régissent le développement et ont identifié les éléments qui peuvent le faire dérailler, nous sommes loin de pouvoir intervenir lorsque de tels problèmes surviennent. Mais à mesure que nous acquerrons des connaissances, nous pourrions un jour tester des thérapies ou d'autres moyens de résoudre ces problèmes de développement.
Des ordinateurs qui imitent le cerveau
Ce que c'est:
Les neuroscientifiques computationnels utilisent des modèles mathématiques pour mieux comprendre comment les réseaux de cellules cérébrales nous aident à interpréter ce que nous voyons et entendons, à intégrer de nouvelles informations, à créer et à stocker des souvenirs et à prendre des décisions.
Pourquoi c'est important :
Comprendre comment l'activité des neurones régit la cognition et le comportement pourrait conduire à des moyens d'améliorer la mémoire ou de comprendre les processus pathologiques.
Sur le fil du rasoir:
Terry Sejnowski, neurobiologiste computationnel à l'Institut Salk, a construit un modèle informatique du cortex préfrontal et analysé ses performances sur une tâche dans laquelle une personne (ou une machine) doit trier des cartes selon une règle qui change constamment. Alors que les humains sont doués pour s'adapter, les machines ont généralement du mal. Mais l'ordinateur de Sejnowski, qui imite les schémas de flux d'informations observés dans le cerveau, s'est bien comporté dans cette tâche. Cette recherche pourrait aider les machines à penser davantage comme les humains et à s'adapter plus rapidement aux nouvelles conditions.
Aude Oliva, directrice du MIT-IBM Watson AI Lab au MIT, utilise des outils informatiques pour modéliser et prédire la façon dont les cerveaux perçoivent et mémorisent les informations visuelles. Ses recherches montrent que différentes images entraîner certains modèles d'activité à la fois dans le cortex du singe et dans les modèles de réseaux neuronaux, et que ces modèles prédisent à quel point une certaine image sera mémorable.
La prochaine frontière :
Des recherches comme celles de Sejnowski peuvent inspirer des machines plus intelligentes, mais elles pourraient également nous aider à comprendre les troubles dans lesquels la fonction du cortex préfrontal est altérée, notamment la schizophrénie, la démence et les effets des traumatismes crâniens.
Pourquoi les choses s'effondrent-elles ?
Ce que c'est:
Les chercheurs tentent de déterminer les facteurs de risque génétiques et environnementaux des maladies neurodégénératives, ainsi que les mécanismes sous-jacents des maladies.
VeloursPourquoi c'est important :
L'amélioration de la prévention, de la détection précoce et du traitement de maladies telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, la maladie de Huntington, l'encéphalopathie traumatique chronique et la SLA profiterait à des millions de personnes dans le monde.
Sur le fil du rasoir:
Yakeel Quiroz, du Massachusetts General Hospital, étudie les changements dans la structure et le fonctionnement du cerveau qui se produisent avant l'apparition des symptômes d'Alzheimer. Elle recherche des biomarqueurs qui pourraient être utilisés pour la détection précoce de la maladie et tente d'identifier des cibles potentielles pour la thérapeutique. Un biomarqueur potentiel de la maladie d'Alzheimer précoce qu'elle a trouvé - une protéine appelée NfL - est élevée dans le sang plus de deux décennies avant l'apparition des symptômes. Quiroz a également identifié une femme avec un mutation génétique protectrice cela l'a empêchée de développer des troubles cognitifs et une dégénérescence cérébrale, même si son cerveau présentait des niveaux élevés d'amyloïde, une protéine impliquée dans le développement de la maladie d'Alzheimer. L'étude des effets de cette mutation bénéfique pourrait conduire à de nouvelles thérapies.
Des chercheurs au Initiative de détection précoce des maladies neurodégénératives au Royaume-Uni analysent si les données numériques collectées par les smartphones ou les appareils portables pourraient donner des alertes précoces de la maladie avant que les symptômes ne se développent. L'une des initiatives projets – un partenariat avec l'Université de Boston – collectera des données à l'aide d'applications, de suivi d'activité et de suivi du sommeil chez les personnes atteintes et non atteintes de démence afin d'identifier d'éventuelles signatures numériques de la maladie.
La prochaine frontière :
Alors que nous en apprenons davantage sur les causes sous-jacentes des maladies neurodégénératives, les chercheurs tentent de traduire ces connaissances en traitements efficaces. Des essais cliniques avancés ciblant les mécanismes de la maladie nouvellement compris sont actuellement en cours pour de nombreux troubles neurodégénératifs, y compris Alzheimer , Parkinson , et COMME .
Tout est lié
Ce que c'est:
Les chercheurs de Connectomics cartographient et analysent les connexions neuronales, créant un schéma de câblage pour le cerveau.
Pourquoi c'est important :
La compréhension de ces connexions éclairera le fonctionnement du cerveau ; de nombreux projets explorent comment les connexions à grande échelle sont modifiées au cours développement , vieillissement , ou maladie .
Sur le fil du rasoir:
Cartographier ces connexions n'est pas facile - il peut y en avoir jusqu'à 100 billions de connexions dans le cerveau humain , et ils sont tous minuscules. Les chercheurs doivent trouver les meilleurs moyens d'étiqueter des neurones spécifiques et de suivre les connexions qu'ils établissent avec d'autres neurones dans des parties éloignées du cerveau, d'affiner la technologie pour collecter ces images et de comprendre comment analyser les montagnes de données que ce processus produit.
Une collaboration qui comprenait l'informaticien de Google Viren Jain et le neuroscientifique de Harvard Jeff Lichtman a récemment terminé le carte la plus détaillée d'une partie du cerveau humain jamais produit. En imageant un millimètre cube de cerveau à l'échelle nanométrique, ils ont cartographié 50 000 cellules et plus de 130 millions de synapses, ce qui a donné 1,4 pétaoctet de données. Auparavant, Lichtman avait aidé à développer Arc-en-ciel , une technique qui permet l'étiquetage coloré des neurones individuels chez les animaux vivants, permettant aux scientifiques de tracer les connexions neuronales.
Histoire connexe
Ceci est une carte d'un demi-milliard de connexions dans un tout petit morceau de cerveau de souris Nos cerveaux ne sont pas si différents des cerveaux de souris, et un nouvel ensemble de données massif nous donne un examen plus approfondi des deux.
Sebastian Seung, neuroscientifique informatique à Princeton, a été le pionnier d'une technique qui utilise le crowdsourcing et l'apprentissage automatique pour transformer des images brutes en cartes neuronales tridimensionnelles utilisables, avec des synapses identifiées et des types de cellules classés. Dans le premier projet, appelé EyeWire , des scientifiques citoyens ont aidé à cartographier les neurones de la rétine. Le projet actuel, FlyWire , est un effort ambitieux visant à cartographier les connexions neuronales dans l'ensemble du cerveau d'une mouche des fruits.
L'Allen Institute de Seattle, acteur important de la recherche sur la connectivité cérébrale, met à disposition du public ses cartes cérébrales. UNE Souris atlas de la connectivité cérébrale qu'il est compilé comprend cartes spécifiques au type de cellule des connexions entre le thalamus (une station relais sensorielle et motrice) et le cortex.
La prochaine frontière :
Cartographier les connexions neuronales individuelles dans le cerveau humain n'est pas une mince affaire. Il existe également des variations à la fois entre et au sein des individus - les connexions changeront probablement à mesure que notre cerveau se développera, apprendra et vieillira. La création de cartes cérébrales individuelles à micro-échelle pour tout le monde nous fournirait probablement un niveau de compréhension sans précédent, mais pour l'instant, c'est un rêve lointain.
Santé mentale
Ce que c'est:
Pourquoi et comment les maladies psychiatriques et les troubles cérébraux se développent est encore largement un mystère. Les neuroscientifiques utilisent la neuroimagerie, la génétique, la biochimie, l'apprentissage automatique, les études comportementales, etc. pour comprendre les causes moléculaires et environnementales.
VeloursPourquoi c'est important :
La maladie mentale est l'une des principales causes d'invalidité dans le monde. Quelque 264 millions de personnes souffrent de dépression, 45 millions de troubles bipolaires et 20 millions de schizophrénie.
Sur le fil du rasoir:
Satrajit Ghosh, neuroscientifique au MIT, utilise les modèles de parole et la neuroimagerie pour améliorer les évaluations de la santé mentale chez l'homme. À court terme, Ghosh espère que cela pourra être utilisé pour améliorer le diagnostic, et il existe déjà des preuves que cela peut aider à prédire quels patients répondront à quelles thérapies. Mais à l'avenir, dit Ghosh, nous voulons pouvoir mesurer quelque chose, prédire un état futur et… ajuster le comportement à la volée afin que vous n'atteigniez jamais cet état.
Histoire connexe
Comment réparer votre cerveau pandémique brisé La vie sous covid a chamboulé nos cerveaux. Heureusement, ils ont été conçus pour rebondir.
Les thérapies utilisant la stimulation cérébrale offrent de nouvelles options de traitement pour le trouble obsessionnel-compulsif (TOC). Stimulation cérébrale profonde - dans lequel des électrodes sont implantées dans le cerveau - offre un soulagement substantiel à certaines personnes dont le TOC ne répond pas aux autres traitements. Des formes moins invasives de stimulation neurale ont également montré des résultats prometteurs. Juste cinq jours de non invasif stimulation cérébrale réduit les comportements obsessionnels compulsifs pendant trois mois chez les personnes qui présentaient certains symptômes du TOC.
Les chercheurs font des progrès dans la compréhension et le traitement des troubles liés à l'utilisation de substances, identifiant les modèles de connectivité cérébrale qui augmenter ou diminuer le risque de développer une dépendance . Peut-être qu'un jour, les voies neuronales qui aident les gens à résister à la dépendance pourraient être renforcées thérapeutiquement.
Des drogues autrefois classées comme récréatives sont à l'étude pour le traitement des maladies mentales. En 2019, la Food and Drug Administration américaine eskétamine approuvée pour la dépression résistante au traitement , la première fois en 30 ans qu'un médicament avec un nouveau mécanisme d'action avait été approuvé pour la condition. Plus récemment, un essai clinique de stade 3 ont montré que les personnes souffrant de trouble de stress post-traumatique qui recevaient de la MDMA (ou ecstasy) en même temps qu'une thérapie traditionnelle s'amélioraient considérablement par rapport à celles qui recevaient une thérapie seule. La psilocybine, le composant actif des champignons magiques, fait l'objet d'essais cliniques pour le traitement de la dépression, des troubles liés à la consommation d'alcool, du TOC, de l'anorexie, etc.
La prochaine frontière :
Un jour, les patients atteints de troubles cérébraux pourraient être évalués et traités en fonction de leur génétique, ainsi que des biomarqueurs et des analyses de l'activité cérébrale.
Les chercheurs explorent comment la génétique pourrait guider les choix de traitement pour les patients souffrant de dépression , comment connectivité dans les régions du cerveau comme l'amygdale pourrait conduire à une compréhension plus personnalisée des troubles liés à la peur et à l'anxiété, et comment à base de sang les biomarqueurs pourraient suivre la réponse au traitement dans la dépression et le trouble bipolaire.