L'intelligence expliquée

Une série d'instantanés en noir et blanc s'affiche sur l'écran, chacun capturant une fine tranche de mon cerveau. Les images en niveaux de gris sembleraient familières à quiconque a vu un scanner cérébral, mais ces images sont différentes. Andrew Frew, neuroscientifique à l'Université de Californie à Los Angeles, utilise un curseur pour sélectionner un petit carré. Des brins fins comme des spaghettis apparaissent, représentant les milliers de fibres neurales qui le traversent. Quelques clics de curseur et Frew affine le faisceau de fibres représenté à l'écran, mettant d'abord en évidence mon nerf optique, puis les fibres traversant une partie du cerveau cruciale pour le langage, puis les faisceaux de nerfs moteurs et sensitifs qui descendent au tronc cérébral.

Frew me fait visiter ma matière blanche, le tissu reliant les neurones, ou cellules nerveuses, qui composent la matière grise. Quelque chose à propos de la torsion, des fils neuronaux qui transportent des informations entre les neurones - leur épaisseur individuelle, peut-être, ou leur abondance, ou les chemins spécifiques qu'ils empruntent d'une partie du cerveau à une autre - peut expliquer, au moins en partie, les variations dans l'intelligence humaine.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2009

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Les scientifiques recherchent depuis plus de deux siècles la source de l'intelligence, la capacité cognitive générale souvent quantifiée sous forme de QI. Avec l'avènement de technologies telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), les chercheurs se concentrant principalement sur la matière grise ont pu cartographier les parties du cerveau qui semblent jouer un rôle. Mais cela ne les a conduits que jusqu'à présent, et l'accent mis sur la matière grise n'a pas dit toute l'histoire. Ce n’est qu’au cours des dernières années, alors que de nouvelles variantes de l’IRM se concentrent sur la substance blanche du cerveau, qu’une compréhension plus profonde a commencé à émerger. Les scientifiques sont désormais en mesure de passer de régions particulières du cerveau aux connexions entre ces régions, explique Sherif Karama, psychiatre et neuroscientifique à l'Institut neurologique de Montréal de l'Université McGill. Leurs premières découvertes ont conduit Karama et d'autres à croire que le câblage neuronal et la façon dont il transporte les informations dans le cerveau peuvent être d'une importance cruciale pour le QI.

Jusqu'à assez récemment, seuls quelques scientifiques étudiaient comment la structure du cerveau pouvait être liée au QI, en partie parce que l'idée d'une base biologique et génétique pour l'intelligence a longtemps été controversée. Étant donné que les personnes de différents groupes ethniques obtiennent souvent des résultats différents aux tests d'intelligence, de telles études peuvent soulever des allégations de racisme et les critiques craignent des abus potentiels tels que la discrimination dans l'éducation ou l'emploi. Néanmoins, les nouvelles techniques d'imagerie ont permis des types d'études jamais possibles auparavant, et le nombre de groupes de recherche se concentrant sur cette question augmente rapidement. Beaucoup de ces groupes jettent leur dévolu sur la matière blanche.

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L'espoir est que la découverte des zones cérébrales et des circuits impliqués dans l'intelligence fournira de nouvelles informations sur les maladies neurologiques et psychiatriques qui altèrent la cognition, telles que la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie. Si vous voulez comprendre le déclin cognitif, vous devez comprendre comment la cognition se manifeste et se forme dans le cerveau, explique Rex Jung, neuroscientifique au Mind Research Network à Albuquerque, NM. La recherche peut également améliorer la compréhension des troubles d'apprentissage tels que la dyslexie et le TDAH, conduisant peut-être à de meilleurs traitements. Mais d'autres applications potentielles pourraient être plus controversées. Certains scientifiques envisagent un jour où les scanners cérébraux seront utilisés pour estimer le QI. Sandra F. Witelson, neuroscientifique à la Michael G. DeGroote School of Medicine de l'Université McMaster en Ontario, déclare : « Ce n'est pas une supposition folle de dire qu'à l'avenir, les scintigraphies cérébrales feront partie d'un groupe d'outils qui tentent de indiquer à quel niveau la capacité de quelqu'un va être.

Gros cerveaux
Le neuroscientifique Paul Thompson est l'un de ces chercheurs qui étudient la structure du cerveau et le QI, mais ce n'était pas ce qu'il avait prévu lorsqu'il a commencé son laboratoire à l'UCLA : il s'est concentré sur la vague de changements dans le cerveau qui caractérise la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie. Cependant, parce que de graves déficits cognitifs accompagnent ces deux maladies, Thompson et ses collaborateurs ont testé la fonction cognitive de leurs sujets. Lorsqu'ils ont commencé à rechercher de plus près les variables corrélées à la structure du cerveau, ils ont découvert que l'intelligence semblait être parmi les plus importantes. Le QI est apparu comme un facteur clé qui détermine l'apparence du cerveau, dit Thompson.

Les scientifiques qui étudient l'intelligence la définissent généralement en termes comparatifs, comme une capacité cognitive générale mesurée par rapport à une moyenne. Un facteur d'intelligence générale quantifiable, connu sous le nom de g, peut être extrait statistiquement des scores d'une batterie de tests d'intelligence. Alors que certaines personnes ont clairement des domaines de talent particuliers, ceux qui obtiennent de bons résultats à un test sont susceptibles d'obtenir de bons résultats également à d'autres, ce qui reflète une plus grande g .

Les chercheurs n'ont pas encore trouvé d'explication neuronale simple pour g . En 2001, Thompson a montré qu'il est corrélé au volume dans le cortex frontal, un résultat cohérent avec un certain nombre d'études qui ont lié l'intelligence à la taille globale du cerveau. Mais la taille est une mesure grossière : alors que les cerveaux plus gros peuvent être plus intelligents en moyenne, il n'est pas clair si c'est parce qu'ils ont plus de cellules nerveuses, plus de connexions entre les cellules, ou plus de fibres qui transportent des signaux neuronaux. N'importe lequel de ces facteurs peut entraîner un cerveau plus gros ou un cortex plus épais, mais aucune de ces choses n'est nécessaire pour une grande intelligence. Des études sur le cerveau d'Albert Einstein, par exemple, ont montré qu'il était de taille typique, voire un peu petit. (Il manquait une ride dans le lobe pariétal inférieur, qui se trouve derrière le cortex frontal ; certains ont émis l'hypothèse que cette bizarrerie permettait aux neurones de cette région de communiquer plus efficacement.)

Alors que l'imagerie cérébrale structurelle est devenue plus sophistiquée, les scientifiques se sont concentrés sur des sections du cerveau impliquées dans des tâches spécifiques, notamment le traitement sensoriel, la mémoire, l'attention et la prise de décision. Cependant, différentes études ont relié différents domaines à l'intelligence, ce qui rend difficile de parvenir à une conclusion globale sur sa base anatomique.

Mais que se passe-t-il si la clé de l'intelligence n'est ni une zone individuelle du cerveau ni son volume total mais le réseau sur lequel l'information est transmise et intégrée ? En 2007, Jung et Richard Haier, aujourd'hui professeur émérite de psychologie à l'Université de Californie à Irvine, ont développé la première théorie complète tirée de la neuro-imagerie sur la façon dont le cerveau donne naissance à l'intelligence. Rassemblant des informations à partir de 37 articles publiés qui avaient utilisé l'imagerie pour étudier l'intelligence, ils ont cartographié les zones du cerveau qui avaient été localisées dans au moins un tiers des études pour esquisser un réseau de régions couvrant les lobes frontaux et pariétaux.

Le réseau se compose d'environ 10 nœuds, ou groupes de cellules, qui ont été liés à l'attention, à la mémoire de travail et à la reconnaissance faciale, entre autres fonctions cognitives. En appliquant les théories existantes sur la façon dont l'information circule dans le cerveau, Jung et Haier ont émis l'hypothèse que les signaux neuronaux voyagent des nœuds situés à l'arrière du cerveau, où les données sensorielles sont collectées et synthétisées, jusqu'à ceux des lobes frontaux, qui sont responsables de la prise de décision et Planification. Les connexions entre ces nœuds, ont-ils soutenu, sont tout aussi critiques que les nœuds eux-mêmes. Si les nœuds d'un réseau ne communiquent pas de manière efficace et efficiente, alors le réseau ne fonctionnera pas efficacement, explique Jung.

La théorie était provocatrice, mais les données utilisées pour la développer avaient une limitation majeure : les études publiées avaient porté principalement sur la matière grise. Quant à la matière blanche de connexion, Jung et Haier ont déduit ses chemins à partir des emplacements des nœuds clés et des cartes existantes de l'anatomie neurale. Ils n'ont pas regardé directement la matière blanche elle-même, en grande partie parce qu'ils n'avaient pas la technologie pour le faire.

Connexions
En volume, la matière grise représente environ la moitié du cerveau humain. L'autre moitié est de la matière blanche, constituée de projections neurales filamenteuses enveloppées dans une matière grasse appelée myéline ; une proportion aussi élevée de matière blanche semble être propre à l'homme. À mesure que nous évoluions des vers aux humains, explique George Bartzokis, professeur de psychiatrie à l'UCLA, le nombre de cellules non neurales dans le cerveau a augmenté 50 fois plus que le nombre de neurones. Il ajoute : Mon hypothèse a toujours été que ce qui nous donne notre capacité cognitive n'est pas réellement le nombre de neurones, qui peut varier énormément entre les individus humains, mais plutôt la qualité de nos connexions.

Grâce à leur couche d'isolation, qui empêche les fuites d'impulsions électriques, les fibres nerveuses myélinisées peuvent envoyer des signaux environ 100 fois plus vite que les fibres non myélinisées. La myéline permet également d'envoyer plus d'informations par seconde en réduisant le temps d'attente entre les signaux. Le résultat est que les neurones peuvent traiter 3 000 fois plus d'informations qu'il ne serait autrement possible. Cette capacité, selon Bartzokis, est cruciale pour parler et traiter le langage.

Le type d'IRM généralement utilisé pour les examens médicaux ne montre pas les détails les plus fins de la substance blanche du cerveau. Mais avec une technique appelée imagerie du tenseur de diffusion (DTI), qui utilise l'aimant du scanner pour suivre le mouvement des molécules d'eau dans le cerveau, les scientifiques ont développé des moyens de cartographier en détail le câblage neuronal. Alors que l'eau se déplace de manière aléatoire dans la plupart des tissus cérébraux, elle s'écoule le long des fibres neurales isolées comme le courant à travers un fil.

La plupart des analyses DTI divisent l'image IRM en zones minuscules et mesurent la diffusion des molécules d'eau à travers chacune dans six à 12 directions, ce qui est suffisant pour détecter des faisceaux épais de fibres neurales. Mais les endroits où les chevauchements de câblage apparaissent comme un flou. Les nouvelles variantes de l'imagerie de diffusion mesurent la diffusion dans 50 à 500 directions. Des algorithmes informatiques synthétisent ces données en une image tridimensionnelle montrant les chemins les plus probables des fibres nerveuses à travers chaque zone, puis assemblent les informations de plusieurs points pour créer une carte de câblage.

La force du signal de diffusion - la mesure dans laquelle il révèle une direction claire - est utilisée pour évaluer l'organisation des fibres de la substance blanche. Un signal de diffusion plus fort peut indiquer plus de fibres ou une myéline plus épaisse ; les scientifiques ne le savent pas encore. Mais les nouvelles méthodes d'imagerie par diffusion ont révélé une forte corrélation entre la force de ce signal - ce que les chercheurs appellent l'intégrité de la substance blanche - et les performances sur un test de QI standard. Le DTI s'avère être l'une des mesures d'IRM les plus sensibles dont nous disposons pour la fonction cognitive, déclare Vincent Schmithorst, neuroscientifique à l'hôpital pour enfants de Cincinnati.

Thompson appelle ses cartes de diffusion des images de la vitesse mentale. Des recherches antérieures ont à plusieurs reprises lié le QI à la vitesse de traitement, et d'autres études montrent que la vitesse de traitement à son tour est étroitement liée à la qualité de sa substance blanche. Cela signifie-t-il que l'intelligence est déterminée par la vitesse à laquelle le cerveau fonctionne ? Si tel est le cas, est-ce que trouver la clé de la vitesse de traitement dans le cerveau signifie que les chercheurs ont enfin trouvé le secret de l'intelligence ?

En réalité, la vitesse n'est probablement pas le seul déterminant du QI. L'une des choses qui est importante pour le QI est la fonction du lobe frontal, qui est impliquée dans la planification, la prise de décision et l'évaluation des preuves, dit Thompson. Je ne penserais pas que ces compétences dépendent entièrement de la vitesse mentale.

Certaines des théories les plus récentes sur l'intelligence suggèrent que le facteur crucial pourrait être l'efficacité avec laquelle l'information se déplace dans le cerveau, plutôt que sa rapidité. Dans une étude récente dirigée par Martijn P. van den Heuvel, neuroscientifique au Centre médical universitaire d'Utrecht, aux Pays-Bas, les chercheurs ont défini l'efficacité comme le nombre de liens nécessaires pour passer d'un nœud à un autre, à la fois dans des zones spécifiques du cerveau et dans tous les sur le cerveau. De même qu'un vol direct Paris-Chicago serait considéré comme plus efficace qu'un vol avec escale à Londres, une liaison directe entre deux parties du cerveau serait plus efficace qu'une route indirecte.

Diffusion du tracé : Les molécules d'eau dans le cerveau diffusent le long des fils neuronaux, permettant aux scientifiques de créer, essentiellement, des schémas de circuits. Tout d'abord, les directions de diffusion les plus probables sont calculées pour chaque parcelle de deux millimètres cubes du cerveau, générant des formes 3D pour chaque point, comme indiqué ci-dessus. Un logiciel spécialisé calcule le chemin des fils neuronaux sur la base de ces formes. Cette méthode peut distinguer les fils qui se chevauchent, contrairement à l'imagerie plus conventionnelle.

Van den Heuvel et ses collègues ont découvert que les personnes ayant un QI supérieur à la normale de 120 et plus avaient les réseaux cérébraux les plus efficaces. Notre hypothèse est que le QI concerne la façon dont le cerveau humain peut intégrer différents types d'informations, la facilité avec laquelle il peut obtenir des informations d'une région du cerveau à une autre, explique van den Heuvel. Ces schémas d'activité sont fortement influencés par les structures de la substance blanche dans le cerveau, la façon dont le cerveau est connecté.

Richard Haier et ses collaborateurs travaillent actuellement sur une nouvelle méthode de mesure du flux d'informations dans le cerveau à l'aide de la magnétoencéphalographie, ou MEG. Le MEG mesure les fluctuations magnétiques autour des neurones lorsqu'ils se déclenchent, permettant aux scientifiques de suivre la séquence à l'échelle de la milliseconde de la signalisation neuronale dans le cerveau lorsque les gens effectuent différentes tâches, comme appuyer sur un bouton en réponse à une lumière. Les chercheurs espèrent comprendre en quoi le flux de ces signaux diffère avec l'intelligence - si les personnes les plus intelligentes suivent la même séquence mais plus rapidement, par exemple, ou si leur cerveau saute quelques étapes dans un circuit. Lorsque vous ajoutez la synchronisation des nœuds et des réseaux, dit Jung, nous parlons alors vraiment de la façon dont le cerveau fonctionne en temps réel.

Améliorer le QI
Si la matière blanche joue un rôle clé dans l'intelligence, existe-t-il un moyen de l'améliorer ? Cela nous donne-t-il des moyens de devenir plus intelligents ou d'aider les personnes atteintes de troubles neurologiques et psychiatriques qui affectent les capacités cognitives ?

Il est probable que la qualité de la substance blanche soit au moins en partie déterminée génétiquement et, par conséquent, difficile à modifier. La taille du corps calleux, les épaisses étendues de substance blanche reliant les deux hémisphères du cerveau, est d'environ 95% génétique. Et environ 85 pour cent de la variation de la substance blanche dans les lobes pariétaux, qui sont impliqués dans la logique et les compétences visuo-spatiales, peuvent être attribuées à la génétique, selon Thompson. Mais seulement environ 45 pour cent de la variation des lobes temporaux, qui jouent un rôle central dans l'apprentissage et la mémoire, semble être héréditaire.

Thompson essaie maintenant d'identifier des gènes spécifiques liés à la qualité de la substance blanche. Le meilleur candidat à ce jour est un gène pour une protéine appelée BDNF, qui favorise la croissance cellulaire. Les personnes avec une variation ont des fibres mieux organisées, dit-il.

Mais les facteurs environnementaux jouent également un rôle. Les rongeurs élevés dans un environnement stimulant ont plus de matière blanche. Et la recherche suggère que la différence apparente de QI entre les personnes allaitées et nourries au biberon pendant leur enfance peut survenir parce que le lait maternel contient des oméga-3, des acides gras impliqués dans la production de myéline ; par conséquent, certaines préparations pour nourrissons contiennent désormais ces composés.

L'espoir demeure pour ceux qui ont dépassé le stade de la préparation pour bébé il y a longtemps. Bien que le cerveau adulte ne soit pas aussi malléable qu'un jeune cerveau, et soit donc moins facilement influencé par les facteurs environnementaux, il est de plus en plus évident que le cerveau adulte est encore remarquablement plastique. Les scientifiques n'ont pas encore suffisamment étudié la matière blanche pour savoir comment l'améliorer directement, en particulier chez les personnes en bonne santé. Mais il a été démontré que l'exercice, l'alimentation et l'activité mentale améliorent la santé du cerveau et diminuent le risque de démence, un trouble qui a été lié aux dommages de la substance blanche. Et d'autres études ont montré que quelques mois seulement de pratique d'une nouvelle compétence peuvent agrandir certaines parties du cerveau, y compris des parties du cortex frontal impliquées dans la planification motrice et des parties des lobes temporaux qui intègrent visuel, auditif, tactile et physiologique interne. information. Des études similaires sur les moyens d'améliorer la qualité de la substance blanche sont en cours.

Bien que regarder des images de ma propre matière blanche était fascinant, ce n'était pas profondément éclairant. L'analyse ne m'a donné aucune indication sur l'efficacité ou la flexibilité de mes processus mentaux. Et, m'ont dit les chercheurs, même le neuroanatomiste le plus astucieux ne serait pas en mesure de se faire une idée générale de mes capacités cognitives à partir de mon scanner cérébral.

En savoir plus sur le rôle de la matière blanche dans l'intelligence donnera aux scientifiques une image plus complète de la façon dont l'anatomie du cerveau influence la cognition. Cela pourrait aider à expliquer comment des cerveaux différemment structurés pourraient produire le même QI, ou si des schémas particuliers – de la matière blanche épaisse ici, un gros morceau de matière grise là-bas – sont liés à des forces et des faiblesses cognitives particulières. L'une des principales conclusions de la dernière décennie d'études sur l'intelligence est le fait que le cerveau peut générer le même score de QI de plusieurs manières, explique Haier. L'intelligence se caractérise par des différences individuelles dans l'apprentissage, la mémoire et l'attention et par la manière dont elles sont intégrées chez un individu. Haier envisage un jour où les scanners cérébraux pourraient alerter les enseignants sur les forces et les faiblesses cognitives de chaque élève, afin que les cours puissent être adaptés individuellement. Il pourrait être possible de dériver à peu près les mêmes informations à partir de tests cognitifs approfondis, mais ces tests sont rares car ils sont coûteux et longs. Un scanner cérébral de 15 minutes, en revanche, pourrait être appliqué beaucoup plus largement.

Bien qu'il ne soit pas encore possible d'estimer le QI de quelqu'un à partir d'un scanner cérébral, certains scientifiques disent que ce jour n'est peut-être pas loin. Pour un exemple très simple, dit Haier, supposons que la quantité totale de matière grise dans plusieurs zones soit une bonne corrélation du QI, et cette corrélation s'améliore si nous ajoutons des informations de numérisation supplémentaires - peut-être la quantité de matière blanche dans d'autres zones ou la quantité d'activation dans certaines zones pendant qu'un problème est résolu. Nous ne savons pas encore quelle combinaison de paramètres cérébraux sera la plus prédictive du QI psychométrique ou d'autres facteurs d'intelligence ou des capacités mentales, mais nous savons comment le découvrir. Une fois que le financement est disponible pour analyser de très gros échantillons avec plusieurs techniques et tester tout le monde avec une batterie de mesures psychométriques, ce n'est qu'une question de temps.

Cela pourrait être une aubaine pour les médecins travaillant avec des patients atteints de la maladie d'Alzheimer ou d'autres personnes souffrant de maladies causant des dommages cognitifs. Certains experts, cependant, craignent que cela ne crée le sentiment que les capacités des gens sont complètement prédéterminées. Les scientifiques travaillant sur le terrain soutiennent que l'utilisation d'un scanner cérébral pour quantifier l'intelligence n'est pas vraiment différente de l'utilisation d'un test standardisé comme le SAT. Mais parce qu'un scanner cérébral mesure une propriété physique, il est susceptible de susciter encore plus d'inquiétudes que les méthodes de test d'aujourd'hui. Si vous pouvez estimer le QI de quelqu'un à partir d'un scanner cérébral, même s'il n'est pas plus prédictif qu'un SAT [score], cela donne l'illusion que son avenir est fixé, dit Karama.

En vérité, il n'est pas encore clair que les scanners cérébraux seraient meilleurs que les scores SAT pour prédire la fonction cognitive d'un individu - ou sa réussite scolaire, professionnelle ou personnelle. Leur valeur dépendra de ce que nous en ferons. Peut-être que, comme pour le SAT, des cours de formation seront développés pour aider les gens à améliorer leurs scores – à mieux utiliser le réseau de connexions dans leur cerveau. Selon Frew de l'UCLA, ce n'est pas seulement l'outil. C'est à quel point nous l'utilisons.

Emily Singer est Examen de la technologie rédacteur en chef de la biomédecine.

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