SOMMAIRE

es muscles artificiels grâce à un polymère élastique

Un paralysé remarche grâce à un dispositif ingénieux 

Paralysie : un nouvel espoir avec des implants souples

Un Américain devient le premier homme équipé de deux bras bioniques

Les effets de l’IRM sur la santé

L’optogénétique : contrôler le cerveau avec de la lumière

Optogénétique pour les tocs ?

Quand votre cerveau envoie un e-mail

Peut-on décrypter le langage des animaux ?

Mind-Mirror : la thérapie de l'âme à la portée de tous

La MEG, un outil pour suivre les neurones en temps réel

VR 2014: The Mind-Mirror: See Your Brain in Action in Your Head Using EEG and Augmented Reality/Avec Mind-Mirror, observez votre cerveau en action

Détecter le mensonge dans le cerveau Détecter le mensonge dans le cerveau:  in neuro veritas in neuro veritas ? 

Le principe anthropique, science ou pas ?

Coma : une nouvelle technique mesure le niveau d'éveil des patients

Plus de lésions cérébrales chez les pilotes 

La perception du temps 

Direct Brain-to-Brain Communication in Humans: A Pilot Study

Actionner un bras à distance par la pensée

 Le smartphone, la nouvelle arme anti jet-lag

Des muscles artificiels grâce à un polymère élastique

 

Les nouveaux matériaux mis au point en laboratoire ne cessent de nous étonner. Justement, une équipe de chercheurs de Stanford (États-Unis) vient de révéler avoir développé un polymère autocicatrisant, incroyablement élastique et capable de se contracter après stimulation électrique. Une découverte qui intéresse beaucoup les spécialistes du muscle artificiel.

Grâce à un nouveau matériau autocicatrisant incroyablement élastique
 et répondant à des stimuli électriques, des chimistes de Stanford espèrent faire avancer la recherche sur les muscles artificiels. © r2studio, Shutterstock  

Synthétiser de nouveaux matériaux fait partie du quotidien des chercheurs du laboratoire de génie chimique de Stanford (États-Unis). Synthétiser, c’est bien, mais caractériser, c’est encore mieux. Ainsi, après avoir synthétisé récemment un nouvel élastomère (ces polymères qui présentent des propriétés élastiques), une équipe du laboratoire a tout naturellement cherché à tester son élasticité. La responsable de l'établissement a eu bien du mal à croire au résultat obtenu.

Traditionnellement, ce type de matériaux peut être étiré jusqu’à deux à trois fois sa longueur initiale avant de rompre. Pour mesurer le point de rupture de leurs matériaux, les chercheurs de Stanford utilisent une machine capable de les étirer jusqu’à 45 pouces (soit quelque 114 centimètres). 45 pouces, c’est en principe largement suffisant pour tester un échantillon d’une longueur de 1 pouce (ou quelque 2,5 centimètres) seulement. Alors imaginez la surprise de l’équipe en constatant que le nouveau matériau résistait toujours.

Pour être certains du résultat, ils ont été contraints de passer à un test manuel et d’étirer leur échantillon jusqu’à plus de… 100 pouces (environ 254 centimètres) avant que celui-ci ne rompe !

Des chercheurs de Stanford ont mis au point un matériau qui peut être étiré jusqu’à
 100 fois sa longueur initiale et qui présente des propriétés autocicatrisantes incroyables. © Stanford Chemical Engineering Lab
Des chercheurs de Stanford ont mis au point un matériau qui peut être étiré jusqu’à 100 fois sa longueur initiale et qui présente des propriétés autocicatrisantes incroyables. 

Des muscles artificiels à base d’élastomère

Cette propriété étonnante a immédiatement attiré l’attention d’experts des muscles artificiels. En effet, en plus de son incroyable élasticité, ce nouveau matériau a été conçu pour être remarquablement autocicatrisant à température ambiante, même si les dommages ont été causés plusieurs jours plus tôt. Tout comme un véritable muscle. De plus, exposé à un champ électrique, cet élastomère peut se contracter et se dilater… Tout comme un véritable muscle !

De quoi également faire de ce nouveau matériau un bon candidat pour le développement de peaux artificielles qui permettraient aux porteurs de prothèses de retrouver des sensations et de faire, par exemple, la différence entre une poignée de main et la caresse d’un papillon. Avant cela, cet élastomère à la fois solide, souple et électroniquement actif pourrait être utile à la mise en œuvre de produits électroniques portables ou d’implants médicaux à longue durée de vie.

Des propriétés incroyables grâce à la réticulation

Dans un article paru dans les colonnes de Nature Chemistry, les chercheurs de Stanford dévoilent leurs secrets de fabrication. Selon eux, ce nouveau matériau tire ses propriétés exceptionnelles de la mise en œuvre d’un procédé chimique connu sous le nom de « réticulation». Pour faire simple, ce procédé consiste à relier des chaînes linéaires de molécules pour former un ou plusieurs réseaux tridimensionnels.

Dans une première étape, l’équipe a donc construit des molécules organiques un peu particulières, capables de se lier à des brins de polymères assez courts. Résultat : une série de structures qualifiées de « ligands » car elles sont alors à même de se lier les unes aux autres, de manière réversible, pour former des chaînes plus longues.

Dans un second temps, l’équipe a ajouté à cette base, des ions métalliques présentant une affinité chimique avec les ligands. Dans le processus, chaque ion métallique se lie naturellement à au moins deux ligands. De quoi renforcer les propriétés élastiques et autocicatrisantes du matériau. Lorsque l’on tire sur ce matériau, les noeuds chimiques se relâchent et les ligands se délient. Lorsqu'on lâche le matériau, l’affinité entre les ions métalliques et les ligands permet de reformer la structure initiale.

L’équipe a également établi qu’il était possible de jouer sur les propriétés de ce nouvel élastomère en faisant varier la quantité et la nature des ions métalliques utilisés. Dans l’étude qu’ils ont présentée, par exemple, ils ont eu recours à des ion fer – Fe(III) – en concentration raisonnable par rapport à celle des polymères et des molécules organiques.

 Nathalie Mayer

Un paralysé remarche grâce à un dispositif ingénieux

Pendant les phases de test, le patient était maintenu dans un état de quasi apesanteur par des harnais.

 

The feasibility of a brain-computer interface functional electrical stimulation system for the restoration of overground walking after paraplegia

 

http://pdf.lu/88N9

 

 

 
VIDÉO - Après cinq ans de paralysie, un jeune homme de 26 ans a pu avancer sur quelques mètres grâce à un système reproduisant les ordres du cerveau sur les membres inférieurs.

 

Redonner leurs jambes aux paralysés, voilà l'idée folle qu'ont réussi à matérialiser des chercheurs de l'université de Californie. Pour la première fois au monde, ils ont réussi à compenser le rôle d'une moelle épinière endommagée en créant un pont artificiel entre le cerveau et les jambes. Une technique, qu'ils décrivent dans une étude publiée jeudi dans le Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, qui a permis à un paralysé des deux jambes de 26 ans de marcher sur 3,66 mètres.

 

https://www.youtube.com/embed/_nnbM9H-Wdw

C'est grâce à un encéphalogramme (EEG), qui mesure l'activité électrique du cerveau, que les chercheurs ont été capables de «lire les pensées» du malade lorsqu'il s'imagine en train de marcher. Les signaux qu'ils ont obtenus ont été ensuite traduits en stimulations électriques, qui au moyen d'électrodes placées autour des genoux, permettaient l'enchaînement des contractions nécessaires pour la marche: une première stimulation (dans le nerf sciatique poplité externe situé près du genou) vient provoquer la flexion de la cheville, du genou et de la hanche, tandis que le patient avance avec le basculement de son poids. Ensuite, la contraction des quadriceps (dans la cuisse) est réactivée pour provoquer l'extension de la jambe et tenir la personne debout.

 

Test sur jeu vidéo
Test sur jeu vidéo

Pendant les phases de test, le patient était maintenu dans un état de quasi apesanteur par des harnais. Néanmoins, l'effort qu'il a dû fournir après cinq ans de paralysie a nécessité une rééducation de son corps comme de son esprit. Dans un premiers temps, les chercheurs ont stimulé les parties de son cerveau contrôlant la motricité. Ils ont utilisé le principe de l'EEG, mais en dirigeant les stimulations électriques vers un jeu vidéo, où le jeune paralysé devait faire bouger un corps virtuel. Après seulement onze heures d'entraînement, il était déjà parfaitement capable de réaliser l'ensemble des exercices.

Pour raffermir les muscles de ses jambes, les chercheurs l'ont aussi soumis à de la rééducation physique. Pendant 19 séances d'un peu plus d'une heure, ils ont aussi ajusté la quantité exacte d'électricité qu'ils devaient administrer dans les nerfs pour obtenir la contraction des muscles de la jambe. En rassemblant les données des tests virtuels et physiques, ils ont ensuite pu transcrire l'ordre mental de l'EEG en une intensité précise d'électricité à soumettre aux nerfs.

Préliminaire

Cependant, pour le docteur Marc Bacon, chercheur à la Charity Spinal Research, un centre de recherche britannique, interviewé par la BBC, «le volontaire est encore loin d'une autonomie complète. En effet, les chercheurs n'ont pas résolu le problème du maintien de l'équilibre pendant la marche». Pour lui, il s'agit d'«une étude intéressante, à un stade encore préliminaire».

Pour les auteurs de l'étude, la prochaine étape est de se débarrasser de l'EEG et d'implanter des électrodes directement dans le crâne. «Un implant pourrait permettre d'atteindre un niveau encore plus élevé de contrôle de la prothèse. Les ondes cérébrales sont enregistrées avec une qualité supérieure», explique Zoran Nenadic, chercheur à de l'Université de Californie et coauteur de l'étude. «En outre, un tel implant pourrait aussi apporter de la sensation au cerveau et permettre à l'utilisateur de sentir à nouveau ses jambes «, conclut-il.

Paralysie : un nouvel espoir avec des implants souples

Laurent Sacco,01/2015

Il n’est pas encore possible de refaire marcher un paraplégique, mais l’implant souple que des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) annoncent avoir mis au point est peut-être un pas de plus dans cette direction. Il permet en tout cas de mettre en pratique autrement une technique déjà éprouvée, permettant de redonner une certaine mobilité à des rats.

L’implant
 mis au point par les chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne est à base de silicone et constitue un dispositif électronique souple et étirable. © École polytechnique fédérale
 de Lausanne (EPFL)L’implant mis au point par les chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne est à base de silicone et constitue un dispositif électronique souple et étirable.  

On assiste depuis quelques années à des progrès significatifs dans le domaine des neuroprothèses, c’est-à-dire de dispositifs composés de capteurs, de connexions et de puces électroniques implantés dans le corps pour pallier des handicaps. Les plus célèbres et les plus aboutis sont les implants cochléaires, mais on progresse aussi dans le domaine des implants oculaires. Petit à petit, les rêves des années 1970 illustrés par des séries comme L’homme qui valait trois milliardset Super Jamie sortent du domaine de la science-fiction même s’il est plus que douteux que l’on arrive un jour aux dispositifs bioniques si remarquablement ajoutés aux corps humains que l’on peut voir dans ces séries.

Un autre rêve qui commence à prendre forme porte sur la possibilité de refaire marcher des personnes paralysées au moyen d’implants corticaux et spinaux. Bien qu’ils ne concernent pour le moment que des rats, les travaux des équipes de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) publiés dans Science sont de nature à donner de nouveaux espoirs pour les personnes atteintes de ce handicap. Stéphanie Lacour, Grégoire Courtine et leurs collègues y parlent des résultats qu’ils ont obtenus avec ce qu’ils ont nommé e-Dura.


Stéphanie Lacour, titulaire à l’EPFL de la Chaire Bertarelli de technologie neuroprosthétique explique les résultats qu’elle et son collègue Grégoire Courtine, titulaire à l’EPFL de la Chaire IRP en réparation de la moelle épinière, ont obtenus avec leurs collègues. Le contenu principal de ses explications en anglais se trouve dans le texte ci-dessous. © École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)

Un implant souple et étirable pour la moelle épinière

Le problème que les chercheurs ont tenté de résoudre était le suivant. Lorsque l’on veut pallier à certaines déficiences avec des dispositifs neuroprosthétiques, on est conduit à les mettre en contact avec le cerveau ou la moelle épinière, sous l’enveloppe protectrice du système nerveux central appelé « dure-mère », une membrane fibreuse dure et rigide qui adhère à l’os et protège le cerveau et la moelle épinière. Or, du fait des mouvements de l’individu équipé d’une telleprothèse, il se produit des frottements entraînant de l’inflammation et même des réactions de rejet.

La solution a consisté à mettre au point un substrat de silicone parcouru de pistes électriques faites d’or craquelé ainsi que de nouvelles électrodes formées de microbilles de platineconstituant ensemble un implant souple et étirable, tout en conservant intact son fonctionnement. Il contient également des composants électroniques permettant de stimuler électriquement la moelle épinière ainsi qu’un canal microfluidique pouvant libérer localement sur demande desneurotransmetteurs. Cela permet donc de mettre en pratique d’une nouvelle façon, une technique déjà testée élaborée depuis quelques années par les chercheurs de l’EPFL et qui avait permis à desrats paralysés de retrouver une certaine capacité à courir, franchir des obstacles et monter des marches au bout de deux mois d’un traitement électrochimique similaire. Cependant, il ne s’agissait pas d’une restauration définitive de la mobilité des membres inférieurs, car l’emploi du traitement devait être maintenu pour réaliser ces performances.

Un implant pour traiter la maladie de Parkinson ?

Toute la question était de savoir si cette technique pouvait être appliquée aussi à l’homme, mais cela nécessitait donc qu’elle puisse être employée sur le long terme, d’où la nécessité de mettre au point avant cela un implant comme e-Dura. Les expériences ont montré qu’aucune inflammation, lésion ou rejet n’apparaissaient chez les rats, même au bout de deux mois, ce qui permet à Stéphanie Lacour de dire que : « Notre implant e-Dura peut résider à long terme sur la moelle épinière ou sur le cortex, précisément parce qu’il a les mêmes propriétés mécaniques que la dure-mère naturelle. Cela ouvre de nouvelles possibilités thérapeutiques pour des patients souffrant de troubles ou traumatismes neurologiques, notamment les personnes paralysées suite à une lésion médullaire ».

Les chercheurs ont en vue d’autres applications potentielles pour leur implant, sous réserve qu’il passe victorieusement l’étape des tests cliniques chez l’Homme. On peut imaginer qu’il puisse aider à la mise au point de traitements contre la maladie de Parkinson ou l’épilepsie.


 

Un Américain devient le premier homme équipé de deux bras bioniques

 

 
 Julie Carballo -  /12/2014
VIDÉO - Leslie Baugh a été amputé au niveau des épaules après un accident il y a 40 ans. Il réapprend l'autonomie grâce ses prothèses robotisées.

 

Les avancées dans le monde biomédical permettent aujourd'hui de réaliser des prouesses. Pour la première fois, un Américain doublement amputé au niveau des épaules a pu être équipé de bras bioniques qu'il contrôle par la pensée, a annoncé mardi l'université Johns Hopkins de Baltimore(Maryland, États-Unis).

Leslie Baugh, un ouvrier à la retraite originaire du Colorado, a perdu ses bras il y a 40 ans lors d'un accident d'origine électrique. «Il a fallu réveiller l'influx nerveux de ses muscles des épaules qui n'avaient pas fonctionné depuis quatre décennies pour y greffer les membres artificiels», explique sur le site internet de l'université, Courtney Moran, la prothésiste de l'équipe de médecins. L'homme peut piloter simultanément ou l'une après l'autre les deux prothèses robotisées qui exécutent les ordres transmis par son cerveau, via des impulsions nerveuses.

 

https://www.youtube.com/embed/9NOncx2jU0Q 

La vidéo publiée par le laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins retrace les différentes étapes de la rééducation de Leslie Baugh. «Je suis entré dans un autre monde», affirme l'homme qui peut de nouveau se servir de ses bras.

Courtney Moran souligne que cette avancée a été rendue possible grâce à l'«étonnante combativité» dont a fait preuve Leslie Baugh. Sa rééducation a duré plusieurs mois, pendant lesquels il s'exerçait sept heures par jour à contrôler les prothèses. «Ce fut le fruit d'un long travail et la vitesse à laquelle il a appris le fonctionnement des mouvements est remarquable, mais le plus incroyable a été sa capacité à maîtriser la coordination de plusieurs mouvements entre les deux bras», commente Courtney Moran.

Prochaine étape: permettre à Leslie Baugh d'expérimenter ses nouveaux bras bioniques à son domicile dans les tâches du quotidien, car ce système est encore à l'état de prototype et n'est pour le moment utilisé qu'en laboratoire.

«C'est une procédure chirurgicale totalement nouvelle», souligne le Dr Albert Chi, chirurgien en traumatologie à l'université Johns Hopkins. «En restimulant des nerfs existants, nous pourrons permettre aux gens qui ont subi des amputations de contrôler leurs prothèses en pensant simplement à l'action qu'ils veulent exécuter».

«Je pense que nous commençons juste, et que des perspectives d'évolutions et de grands espoirs s'annoncent: cette réussite ressemble aux premiers jours d'Internet!», conclut avec enthousiasme Michael McLoughlin, responsable du projet, sur le site de l'université.


 

Les effets de l’IRM sur la santé

 proposé par Frédéric Supiot ( Hôpital Érasme - Bruxelles -)


 
À l’heure où les appareils IRM se font de plus en plus puissants et que leur utilisation est toujours plus fréquente dans les interventions hautement spécialisées du bloc opératoire, il importe de s’intéresser davantage aux effets sur la santé d’un travail à proximité des champs magnétiques. « Il serait également judicieux de prendre des mesures de protection adaptées », explique la neurobiologiste Lotte Van Nierop, de l’Université d’Utrecht, dont le doctorat porte justement sur le sujet.

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) constitue un instrument médical important, et ce non seulement pour la visualisation des structures corporelles ou les processus dynamiques à l’intérieur du cerveau, mais aussi (et de plus en plus), en soutien aux opérations, en particulier en neurochirurgie. De plus, l’intensité des aimants n’a pas cessé d’augmenter au cours des années. Conséquence : les aimants ultra puissants de plus d’1,5 Tesla ne peuvent plus être désactivés et le scanner reste en mode stand-by. Le personnel et les patients sont donc en permanence exposés à des champs magnétiques statiques. Il faut ajouter à cela l’exposition aux champs magnétiques de basse fréquence et variable dans le temps (TVMF), qui sont générés par les mouvements dans le champ magnétique autour de l’appareil IRM. Les deux types d’exposition (statique ou variable dans le temps) ne sont pas sans conséquences pour la santé.

Influence vestibulaire

Patients et membres du personnel se plaignent même de nausées, de vertiges et ressentent un goût de métal dans la bouche. Il serait aussi question de changements temporaires plus subtils dans les fonctions exécutives comme la motricité fine et la concentration. On constate par ailleurs une détérioration de la coordination œil-main et de la mémoire, des troubles de la concentration et une baisse dans les fonctions liées au système vestibulaire, tels l’équilibre et les mouvements des yeux. Il est bien entendu important de connaître l’ampleur de ces effets, particulièrement dans les opérations assistées par IRM et nécessitant un haut degré de concentration et des gestes précis.
Lotte Van Nierop a donc tout d’abord enquêté pour savoir quelles fonctions supérieures étaient influencées. Pour cela, elle a tenté l’expérience suivante : exposer des volontaires sains à des champs magnétiques d’un appareil IRM à 7 Teslas, combiné avec un TVMF généré par des mouvements habituels de la tête. La chercheuse a relevé des variations de prestation répétées dans plusieurs domaines. Ces variations n’ont pas été constatées en condition de contrôle sans exposition. Tant l’attention que la concentration, la mémoire verbale et les fonctions liées à la vision comme la coordination œil-main et l’équilibre postural s’en trouvent affectées.

Explication (plausible)

Toute une série de symptômes sensoriels ressentis par les personnes exposées à des champs magnétiques de scanner montre une implication du système vestibulaire. Il semblerait qu’il existe un conflit sensoriel entre l’information reçue par le système vestibulaire et l’information visuelle. « Le champ magnétique pousse le liquide de l’organe de l’équilibre dans une autre direction, ce qui induit de mauvaises informations sur la position de l’organe de l’équilibre et de la tête. Celles-ci ne correspondent plus à ce que les yeux voient. » Voilà qui pourrait expliquer la détérioration de l’équilibre postural et des fonctions visuelles (de mouvement). L’auteure de la recherche indique aussi que les changements provoqués par les champs magnétiques dans les fonctions cognitives comme la perception visuelle et la prestation visio-motrice sont probablement liés à l’attention. On constate ainsi un décalage entre le système vestibulaire, la proprioception et l’information visuelle. « La capacité à pouvoir traiter des informations vestibulaires, sensorielles et visuelles pendant l’exposition aux champs magnétiques et l’exécution simultanée de tâches complexes provoquent un trop-plein d’informations. Celles-ci ne peuvent plus être traitées en même temps, ce qui provoque une baisse de l’attention, de la concentration et de la mémoire verbale, surtout dans des tâches les plus difficiles », ajoute-t-elle.

Il faut agir

Des mesures adaptées doivent être prises afin de diminuer l’exposition aux champs magnétiques des IRM et limiter les changements comportementaux chez les personnes travaillant dans ces conditions, poursuit-elle. Par exemple, éloigner le travailleur de l’appareil IRM ou encourager une plus grande lenteur de déplacement dans les champs magnétiques.
Patrick De Neve

- http://www.healthcaremagazine.be/fr/actualites/belgique/les-effets-de-lirm-sur-la-sante

26/06/2015


 

L’optogénétique : contrôler le cerveau avec de la lumière

 

laser

Notre cerveau est sans nul doute la machine la plus complexe qui soit. Il faut dire que chez nous les humains, on y trouve pas loin de 100 milliards de neurones, reliés entre eux par près d’un million de milliards de connexions.

Pas étonnant que l’on ait du mal à comprendre comment fonctionne ce satané cerveau !

Et pourtant depuis une dizaine d’années, une technique nouvelle est apparue, qui est peut-être en passe de révolutionner les neurosciences : l’optogénétique.

Le cerveau, un organe délicat à étudier

Un cerveau, c’est donc un gros paquet de neurones reliés entre eux, et qui passent leur temps à s’activer et se désactiver. Quand un neurone est activé, il envoie un signal électrique vers les autres neurones auxquels il est connecté : on dit que le neurone décharge.

En simplifiant on peut donc voir le cerveau comme une énorme machine comportant des milliards d’interrupteurs qui passeraient leur temps à alterner entre « on » et « off ». Et que faites-vous en temps normal pour essayer de comprendre le fonctionnement d’une machine pleine de boutons ? Pour ma part, j’appuie sur tous les boutons les uns après les autres et je regarde ce qui se passe !

Le problème c’est qu’on ne peut pas faire ça avec le cerveau ! Il est en effet quasi-impossible de stimuler uniquement un neurone donné tout en laissant les autres inchangés. On en est donc généralement réduits à observer le cerveau en train de fonctionner, et à essayer d’en déduire quelque chose sur le rôle de neurones ou de zones cérébrales données.

Comment stimuler les neurones ?

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Bien sûr, dans certains cas, il est possible d’activer une région du cerveau qui nous intéresse en y enfonçant une électrode délivrant des impulsions électriques (comme ci-contre sur une souris). Mais cette méthode a le défaut d’exciter généralement toute une zone, sans permettre de cibler un type de neurones donné.

Une alternative consiste à injecter des molécules capables de se fixer sur certaines catégories de neurones pour les stimuler ou les inhiber. Cela peut permettre de mieux cibler, mais dans ce cas on perd toute réactivité car les effets se manifestent sur des échelles de temps de plusieurs heures. Pas idéal quand on sait que dans le cerveau, les signaux agissent en quelques millisecondes !

Le rêve, ce serait donc de disposer d’une technique permettant à la fois de cibler certains neurones de manière sélective, tout en permettant des stimulations sur des très courtes périodes de temps.

Eh bien c’est précisément ce que permet de faire l’optogénétique !

Mais pour comprendre comment marche cette technique, il faut d’abord réviser la manière dont fonctionnent les communications dans notre cerveau.

Le cerveau, un circuit électrique géant ?

neurone-axoneDans la configuration la plus classique, un neurone du cerveau peut être relié à un autre au moyen d’un prolongement appelé axone, qui permet la propagation des signaux électriques. Il est assez tentant de voir l’axone comme un fil conducteur transportant de l’électricité, mais nous allons voir que cette analogie est un peu incorrecte.

Un peu partout dans notre corps se promènent des ions, c’est-à dire-des atomes chargés : certains positivement comme Na+ ou K+, d’autres négativement comme Cl-. Or la répartition de ces ions n’est pas la même de chaque côté de la membrane qui délimite les neurones : la charge est ainsi légèrement inférieure à l’intérieur. Il en résulte une petite différence de potentiel d’environ -70mV de part et d’autre de la membrane de nos neurones. On dit qu’elle est polarisée. Toute fois les neurones sont capables de modifier cette polarisation, et l’ingrédient qui leur permet de le faire est une protéine insérée dans leur membrane : le canal sodium.

canal_sodiumLe canal sodium se comporte en effet comme une porte capable de laisser passer ou non des ions Na+ de l’extérieur vers l’intérieur. Lorsque cela se produit, la charge à l’intérieur augmente et le potentiel peut passer de -70 à +100mV, seuil au delà duquel le canal sodium se referme et la polarisation retombe à -70mV.

Cette modification momentanée de la polarisation ne prend que quelques millisecondes et s’appelle un potentiel d’action. Au départ, ce dernier va être généralement créé dans la partie principale du neurone. Il nous faut maintenant comprendre pourquoi ce potentiel peut se propager le long de l’axone.

Ce qui permet cette propagation, c’est une particularité de ces canaux laissant passer les ions sodium : ils ont tendance à s’ouvrir justement si leur voisinage se dépolarise. Ainsi si un canal s’ouvre, une dépolarisation a lieu, stimulant l’ouverture du canal voisin, et ainsi de suite par effet domino tout le long de l’axone. Et c’est grâce à cette sorte de réaction en chaîne qu’un signal peut se propager le long de l’axone d’un neurone jusqu’aux neurones auxquels il est connecté. C’est comme ça que le neurone décharge.

La channelrhodopsine : l’ingrédient clé de l’optogénétique

Maintenant que nous avons vu comment se propagent les communications électriques dans les cellules, je peux vous présenter la star du show, l’ingrédient clé de l’optogénétique : la channelrhodopsine 2 (ChR2 pour les intimes).

ChR2La ChR2 est une protéine découverte en 2002 dans une algue unicellulaire répondant au doux nom deChlamydomonas reinhardtii [1]. Elle ressemble beaucoup au canal sodium, puisqu’elle s’insère dans la membrane des cellules et peut laisser passer des ions. Mais sa grosse particularité, c’est que son ouverture est commandée par la lumière !

En effet quand on lui balance de la lumière bleue, la protéine ChR2 change de forme et donne naissance à un petit trou d’environ 6 Angström, suffisant pour laisser passer les ions à l’intérieur de la membrane.

C’est en lisant une publication sur ChR2 que le biologiste Karl Deisseroth et son équipe ont eu l’idée qui est à la base de l’optogénétique : si la ChR2 se comporte comme un canal répondant à la lumière, on peut l’utiliser pour faire décharger des neurones à la demande !

L’expérience fondatrice a ensuite eu lieu en 2005 à l’université de Stanford au Etats-Unis. Deisseroth et sa bande ont cultivé dans une boite de Pétri des neurones dans lesquels ils ont implanté la protéine ChR2. Et ils ont ensuité observé que ces derniers se mettaient à décharger quand on les éclairait avec de la lumière bleue! [2]

Voici donc la technique que tout le monde attendait ! Un moyen d’activer les neurones d’une région donnée simplement en leur envoyant de la lumière. Restait à mettre en place la technique avec un vrai cerveau.

Contrôler le cerveau avec de la lumière

Il n’a pas fallu longtemps pour que l’équipe montre la possibilité de modifier le comportement d’un cerveau à l’aide de lumière. La vidéo ci-dessous est extraite d’un travail publié par l’équipe de Karl Deisseroth [3]. On y voit une souris à qui on a administré la protéine ChR2 et greffé une fibre optique pouvant amener la lumière jusqu’à son cerveau.

Comme vous pouvez le voir, quand la lumière bleue est allumée, la souris se met à tourner frénétiquement dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. Et elle s’arrête quand on éteint le signal lumineux.

D’accord, c’est un peu effrayant voir cruel. Mais vous imaginez bien que le but de la technique n’est pas de s’amuser et de rigoler sur le dos de nos amis les rongeurs.

L’optogénétique permet en effet de stimuler de manière rapide et ciblée des zones et des neurones précis du cerveau, et de comprendre l’impact de leur activation sur le comportement de l’animal. C’est donc un moyen formidable de démêler l’écheveau de connexion neuronales de notre organe préféré, et de mieux comprendre comment il est câblé.

A ce stade, vous pouvez vous demander quel est l’avantage de la méthode par rapport à la stimulation électrique classique, où l’on enfonce des électrodes dans le cerveau pour balancer des impulsions électriques. Eh bien la principale différence c’est qu’avec l’optogénétique, on peut cibler des types de neurones donnés. Car tous les neurones ne sont pas identiques !

Prenons par exemple les neurones dopaminergiques, ceux qui utilisent cette hormone appelé dopamine. Ces neurones sont comparativement très peu nombreux (de l’ordre de seulement 400 000 dans le cerveau humain), et ils jouent pourtant un rôle essentiel, au point que leur dysfonctionnement est considéré comme une des causes de la maladie de Parkinson. Un des traitements de la maladie de Parkison consiste justement à réaliser des stimulations à l’aide d’électrodes implantées dans les zones profondes du cerveau. Ce traitement semble fonctionner dans certains cas, mais les raisons de son efficacité ne sont pas encore très claire. Grâce à l’optogénétique, il a été possible d’élucider certains de ces mécanismes [4] en stimulant de manière sélective certains types de neurones.

Mais pour faire ces stimulations ciblées, il faut s’arranger pour que la fameuse protéine ChR2 ne se retrouve que dans les neurones que l’on souhaite étudier. Et ça c’est la partie « génétique » de l’optogénétique.

Contrôler l’expression de la ChR2

Pour l’instant, j’ai un peu passé sous silence la manière dont on s’y prend pour que la protéine ChR2 se retrouve insérée dans la membrane des neurones. Rappelons-le : au naturel, cette protéine est produite dans une algue unicellulaire bien spécifique, mais pas du tout dans le cerveau des animaux. Pour que ça marche, il faut donc faire en sorte que les neurones que l’on cible se mettent à produire cette protéine.

Comme vous le savez peut-être, dans le monde du vivant, les protéines sont produites à partir de l’ADN. Une partie des gènes servent en effet de plan de montage pour fabriquer les protéines. Donc pour qu’une cellule se mette à produire la protéine ChR2, il faut lui fournir l’ADN correspondant qu’on aura préalablement extrait de notre algue unicellulaire.

Il existe plusieurs méthodes pour cela, mais la plus conventionnelle consiste à encapsuler dans un virus la séquence ADN qui nous intéresse, et à envoyer le virus en question infecter l’organisme cible. A l’aide de techniques classiques du génie génétique (comme l’utilisation de promoteurs), on peut même faire en sorte que seuls certains types de neurones fabriquent effectivement la ChR2 à partir de l’ADN injecté. Et c’est comme ça que la ChR2 ne se retrouve que dans les neurones qui nous intéressent, et que l’on peut ensuite contrôler à l’aide de la lumière.

Par exemple sur la vidéo ci-dessous, on voit comment le contrôle optogénétique de certains neurones provoque un comportement boulimique chez la souris [5].

Encore une fois le but n’est pas s’amuser, mais de mieux comprendre par exemple quels sont les circuits de notre cerveau qui sont impliqués dans les dérèglements de l’appétit.

L’avenir de l’optogénétique ?

A ce jour, ce sont probablement plus de 1000 laboratoires de recherche différents qui ont bénéficié de la technique mise au point par Karl Deisseroth et son équipe. Si certains leur prédisent déjà le prix Nobel, d’autres dénoncent le fait que la technique soit trop devenue tellement « tendance » qu’on se retrouve à l’utiliser même là où elle ne serait pas franchement nécessaire (eh oui, en sciences aussi il y a des effets de mode !)

Malgré tout, le domaine de recherche reste très actif, et de nombreux progrès ont été faits, notamment pour créer artificiellement d’autres protéines similaires à la ChR2, mais agissant de manière différente (par exemple en jouant le rôle d’inhibiteur au lieu d’activateur, en réagissant à des couleurs différentes ou avec des temps de réponse modifiés.)

Quoiqu’il en soit il faut noter qu’à ce jour son utilisation pour les primates reste très limitée, et on est probablement encore loin de pouvoir l’utiliser à des fins thérapeutiques sur l’être humain. Malgré tout, les expériences d’optogénétique sur nos amis les rongeurs vont certainement continuer à nous en apprendre beaucoup sur le fonctionnement du cerveau.


 

Optogénétique pour les tocs ?

Quand votre cerveau envoie un e-mail

 

La prochaine étape du développement des neurosciences doit mener à la stimulation du cerveau pour qu'il émette ou reçoive un message. Révolutionnaire !

L'évolution des neurosciences pourrait permettre d'envoyer
 un message instantanément à la personne de son choix, sous la forme, par exemple, d'un scintillement devant les yeux.L'évolution des neurosciences pourrait permettre d'envoyer un message instantanément à la personne de son choix, sous la forme, par exemple, d'un scintillement devant les yeux.  

 

Imaginez : vous pensez à envoyer un message. Instantanément, la personne de votre choix le reçoit sous forme d'un scintillement devant ses yeux. Elle ne porte pas de lunettes, mais un dispositif de stimulation magnétique transcrânienne ("TMS" en anglais) qui active directement une partie de son cortex visuel, faisant apparaître comme une petite phosphorescence à droite ou à gauche de son champ visuel. Ce n'est que le début. Il pourrait s'agir d'une couleur, par une stimulation coordonnée des voies visuelles ventrales, ou d'une note de musique, par stimulation du cortex auditif primaire, ou d'un léger chatouillement par stimulation du cortex somatosensoriel, voire plus tard la sensation d'un nombre, par stimulation ultra-précise du sillon intrapariétal, ou même, encore plus tard, d'une lettre... On pourrait ainsi recevoir un message écrit, dans son champ visuel, une perspective aussi impressionnante qu'inquiétante. La DARPA, l'organe de R&D du Pentagone, auquel on doit déjà un précurseur d'Internet, s'y intéresse vivement. L'étude a d'ailleurs été financée par l'Army Research Office.

Dès lors que l'on peut piloter un avion - un homme sait aujourd'hui contrôler un simulateur de vol par électroencéphalographie - ou envoyer une instruction avec son seul cerveau, l'injonction "mains en l'air" n'a plus aucun sens... On assiste à l'avènement de technologies qu'avait anticipées la science-fiction : les interfaces cerveau-machine ou cerveau-Web. Comme toute révolution technologique, elle peut conduire à l'asservissement ou à l'épanouissement du cerveau humain.

Étape décisive dans les neurocommunications

À la base de cette communication de cerveau à cerveau, on trouve deux neurotechnologies extrêmement simples et parmi les plus anciennes. La première est l'électroencéphalographie (inventée en 1923 déjà) qui mesure l'activité électrique collective des cellules cérébrales. Un bonnet d'EEG sur le scalp est comme un dôme de micros au-dessus d'un stade un soir de match. Ce dispositif enregistre le message selon un code donné, puis le second, la stimulation magnétique transcrânienne le délivre. Pour l'heure, la complexité du message est proche de celle de Sputnik : un simple bip alterné en quelque sorte. Mais, de même que le premier satellite artificiel a marqué une révolution dans les télécommunications, ce dispositif présenté par Rajesh Rao et ses collaborateurs à l'université de Washington - qui sont même parvenus en novembre dernier à synchroniser à distance l'action de deux joueurs dans un jeu vidéo - marque une étape décisive dans les neurocommunications. Une éthique efficace reste à déterminer. Mais, si les neuroscientifiques savent exactement pourquoi ils travaillent, ils seront des contributeurs décisifs de notre nouvelle Renaissance.

 Idriss J. Aberkane 01/2015


 

Peut-on décrypter le langage des animaux ?

Mind-Mirror : la thérapie de l'âme à la portée de tous

"Connais-toi toi-même et tu connaîtras l'Univers et les Dieux", est-il écrit au frontispice du temple d'Apollon à Delphes.

 

11/2014  IDRISS J. ABERKANE

Un labo a inventé l'encéphalogramme personnel, soit la possibilité pour chacun de "voir" sa conscience en action. Une innovation digne du PC, selon Aberkane. 

Voir son propre électroencéphalogramme en temps réel. C'est possible grâce à un laboratoire français, celui d'Anatole Lécuyer à l'Inria. A priori, de même que les premiers ordinateurs personnels n'ont pas du tout fasciné les chercheurs en informatique de l'époque, pour un neuroscientifique, il n'y a pas de quoi casser trois pattes à un canard... Et pourtant. Si nous nous souvenons que le but de la recherche est de faire progresser l'humanité, il y a quelque chose de très grand dans l'idée de rendre l'électroencéphalogramme accessible à tous : l'encéphalo personnel, comme l'ordinateur personnel... L'imagerie cérébrale est trop importante pour être laissée aux neuroscientifiques, de même que l'ordinateur était trop important pour être laissé aux informaticiens. Le Mind-Mirror de l'Inria fait partie d'une révolution anthropologique.

Je peux voir mes mains : je sais, je vois, je sens que mon pouce ne peut pas toucher le dos de ma main. Quand le miroir a été inventé, il nous a fallu des siècles pour l'utiliser, comme Alexander pour corriger notre posture. Qu'en est-il de notre posture mentale ? Un "miroir de l'esprit" pourrait nous permettre de la corriger, de prendre conscience de notre propre psyché, qui nous est encore invisible. Nous ignorons encore la forme et les maladies de notre esprit comme l'homme des cavernes pouvait ignorer la forme et les maladies de sa posture. 

Mind-Mirror ne montre pas encore l'esprit, il montre une somme d'activités magnétiques des neurones au travail, mais c'est une invitation de la recherche à créer un véritable miroir de la conscience et de l'inconscient, personnel, pour l'auto-amélioration et surtout l'auto-diagnostic. Cette invitation est facile et ludique, c'est pour cela qu'elle est grande.

Connais-toi toi-même

Nous pouvons dès lors voir et apprendre à contrôler certains schémas magnétiques de notre cerveau, et les utiliser pour actionner une télécommande ou contrôler un simulateur de vol. Avec Mind-Mirror, le mathématicien au travail pourrait apprendre à déceler le corrélat d'une découverte, l'épileptique peut-être prévenir ses crises, le maniaco-dépressif anticiper, comprendre et surtout prendre conscience de ses épisodes cyclothymiques, le douloureux chronique taire sa douleur...

"Connais-toi toi-même et tu connaîtras l'Univers et les Dieux", est-il écrit au frontispice du temple d'Apollon à Delphes. Tout le bien de l'humanité (économique, politique, scientifique, artistique...) est là, et tout le mal dans l'ignorance de soi-même. La psyché humaine a des maladies, et nous ne savons pas encore les voir avant qu'elles produisent les symptômes les plus graves (violence, dépression...). Avec l'encéphalo personnel pourrait émerger une culture mondiale de la conscience de notre psychologie. Le grand soufi Al Sulami (937-1021) écrivit Les Maladies de l'âme et leurs remèdes. Mind-Mirror représente les prémices de l'introspection augmentée, qui est thérapie de l'âme.

L'Europe gagnerait beaucoup à placer Mind-Mirror dans toutes les écoles maternelles, et dans toutes les maisons de retraite, pour créer en une génération une culture de l'introspection augmentée. Elle pourrait le faire au moyen d'une politique centralisée, comme le Minitel a été une tentative politique de démocratiser l'ordinateur personnel. Si elle n'y parvient pas, c'est l'entrepreneuriat qui imposera l'encéphalo personnel, comme le Minitel l'a finalement cédé au PC.

 

 

Jim Carrey modifie sa mémoire dans Jim Carrey modifie sa mémoire dans "Eternal Sunshine of the Spotless Mind" de Michel Gondry. 

 

 

La MEG, un outil pour suivre les neurones en temps réel

 

www.dailymotion.com/embed/video/x2916cy

 

La magnétoencéphalographie (MEG), qui détecte les champs magnétiques infinitésimaux émis par le fonctionnement de nos neurones, se répand dans le domaine de la neurologie. Avec des capteurs extrêmement sensibles refroidis à l'hélium (– 260 °C), les signaux sont recueillis par un ordinateur qui traite les informations et dresse des cartes du cerveau avec une précision temporelle d'un millième de seconde, bien supérieure à celle d'une IRM. Dans cette vidéo d'Universcience, le médecin et physicien Denis Le Bihan, directeur du NeuroSpin (CEA de Saclay), explique qu'on peut ainsi travailler sur l'épilepsie ou sur des pathologies psychiatriques liées à des anomalies de synchronisation dans le cerveau.


 

 

 

VR 2014: The Mind-Mirror: See Your Brain in Action in Your Head Using EEG and Augmented Reality/Avec Mind-Mirror, observez votre cerveau en action

 

 

Des chercheurs de l’INRIA ont dévoilé ce mardi 13 mai un procédé de visualisation de l’activité cérébrale en réalité augmentée. Un prototype prometteur pour de nombreuses applications médicales.

Amélie Charnay

 13/05/14 

 

 

Reconnaître son reflet dans un miroir est le propre de l’homme et de certains animaux. Mais y observer son cerveau est un privilège réservé à quelques chercheurs qui travaillent dans les labos de l’INRIA (Institut National de recherche en sciences du numérique). Et plus particulièrement celui d’Anatole Lécuyer, qui dirige à Rennes l’équipe Hybrid. Il vient de déposer un brevet pour protéger son tout dernier prototype : Mind-Mirror, un dispositif qui permet de visualiser son activité cérébrale en réalité augmentée.

 

© © Inria / Photo Kaksonen

 

La scène est encore plus saisissante que celle d’Hamlet s’interrogeant avec un crâne à la main. Un doctorant équipé d’un bonnet avec des électrodes regarde son cerveau face à un écran muni d’un film semi-réfléchissant qui fonctionne comme un miroir. Anatole Lécuyer lui demande de se concentrer. Aussitôt son cerveau se colore en rouge vif. Il est prié ensuite de se relaxer et immédiatement son cortex devient bleu. Il peut bouger la tête de droite à gauche, l’image de son cerveau suit tous ses mouvements et reste centré sur le haut de son visage. Troublant. « Ce qu’il y a de nouveau avec Mind-Mirror, c’est l’association de deux technologies : l’électro-encéphalographie et la réalité augmentée. Et c’est la première fois que l’on peut voir ainsi son propre cerveau », résume Anatole Lécuyer.

 

© © Inria / Photo Kaksonen

Le dispositif comprend un casque avec électrodes, un écran et une caméra 3D.

 

Le dispositif comporte un casque EEG (électro-encéphalographie), un écran d’ordinateur, une caméra 3D, en l’occurrence un Kinect de Microsoft, et une webcam pour voir l’arrière du cerveau à la manière d’un rétroviseur. L’activité électrique émise par des groupes de neurones est captée à la surface du cerveau par les électrodes. Elle est alors reconstruite en temps réel et projetée sur un modèle de cerveau virtuel au niveau de la tête de l’utilisateur.

Mais ce n’est pas tout. Ces résultats sont aussitôt interprétés grâce à des algorithmes capables de distinguer différents rythmes cérébraux et de les associer à un état. Ce qui se traduit à l’écran par les fameux changements de couleur observés lors de la démonstration.

Les applications possibles sont nombreuses, du divertissement à la recherche, en passant par l’éducation. Mais c’est le domaine médical qui devrait réserver le plus de débouchés. Notamment en ce qui concerne le Neurofeedback, une technique pour entraîner et développer l’activité de son cerveau. « Nous avons déjà commencé des tests cliniques à la Salpêtrière », souligne Anatole Lécuyer.

Troubles attentionnels, insomnie, dépression, rééducation motrice après un AVC, le Mind-Mirror pourrait devenir un outil thérapeutique dans de nombreuses pathologies. La start-up Mensia Technologies, spin-off de l'INRIA créé en novembre 2012, devrait commercialiser d’ici deux ans les premiers produits.

 

Présentation du Mind Mirror 

 

http://vimeo.com/91678788


 

 

 

LE PRINCIPE ANTHROPIQUE, SCIENCE OU PAS ?

 

 http://www.canal-u.tv/video/cerimes/le_principe_anthropique_science_ou_pas.12301

 

 

Conférence de l'Institut d'Astrophysique de Paris présentée par Suzy Collin(astrophysicienne à l'Observatoire de Paris-Meudon) et Christiane Vilain(historienne de la physique à l'Observatoire de Paris-Meudon) le 9 avril 2013.

Depuis des décennies, une discussion agite le monde scientifique et plus particulièrement le monde astronomique. Pourquoi vivons-nous dans un Univers qui paraît organisé spécifiquement pour y engendrer la vie, avec un grand nombre de coïncidences sans lesquelles elle n'aurait pu se développer ? Si l'Univers n'avait pas vécu aussi longtemps, s'il avait été un peu plus ou un peu moins accéléré, un peu plus tôt ou un peu plus tard, s'il n'avait pas dans le passé été très homogène mais avec quand même un minuscule soupçon d'inhomogénéité, si les noyaux de carbone n'avaient pas un niveau d'énergie bien placé, etc., il n'y aurait eu ni étoiles, ni galaxies, ni éléments chimiques, et nous ne serions pas là pour en disserter. Un principe a-t-il présidé à ces agencements ? Sont-ils dus au hasard ? Ou bien viivons-nous dans l'une des rares régions de l'Univers qui nous conviennent, contrairement à ce que dit le principe copernicien ? Finalement, peut-on aborder ces questions de façon vraiment scientifique ou bien doit-on les abandonner aux rêveurs et métaphysiciens ?


 

COMA: UNE NOUVELLE TECHNIQUE MESURE LE NIVEAU D'ÉVEIL DES PATIENTS


Cyrille Vanlerberghe - le 19/08/2013

L'analyse de la réaction du cerveau à une impulsion magnétique peut déterminer le niveau d'éveil de patients dans le coma.

 

Qu'est-ce que la conscience? La question est ardue et a fait l'objet de bien des discussions philosophiques. Mais aucun penseur de l'Antiquité n'a dû imaginer qu'un jour on tenterait de la réduire à un simple score numérique!

Une équipe de scientifiques américains et européens a pourtant mis au point une technique d'analyse qui permet d'estimer le niveau de conscience d'une personne incapable de communiquer, car placée sous anesthésie ou plongée dans un coma à la suite d'un accident.

Tous les niveaux de coma ne sont pas égaux et si certains se distinguent par une absence totale de conscience, un état presque végétatif, d'autres sont moins graves, avec des patients dans un état intermédiaire, où ils sont par exemple sensibles aux stimulus extérieurs mais ne peuvent plus ni bouger ni parler. De manière classique, les médecins établissent le niveau de conscience en évaluant la capacité d'un patient à répondre à des sollicitations externes, par exemple en lui demandant d'ouvrir les yeux ou de presser la main qui les tient.

Cette méthode est très limitée, car l'absence de réponse ne veut pas dire que le patient n'est pas conscient mais signifie, soit qu'il est insensible aux stimulus extérieurs, soit qu'il est incapable de bouger ou qu'il ne comprend plus ce qu'on lui demande.

«Méthode objective»

La nouvelle technique repose sur un principe simple: un dispositif magnétique externe envoie de fortes stimulations dans le cerveau et un électroencéphalogramme enregistre en direct la manière dont les neurones y réagissent. En fonction du type de réaction observée, un ordinateur calcule un «score» qui permet d'évaluer si le patient est conscient ou non.

«Cette méthode a l'avantage d'être totalement objective, sans être dépendante des capacités sensorielles ou motrices du patient», précise Steven Laureys, spécialiste du coma à l'université de Liège et membre de l'équipe qui a présenté sa technique dans la revue américaine Science Translational Medicinedu 14 août.

«L'autre aspect important est que cette méthode s'appuie sur une théorie de la conscience élaborée il y a quelques années par l'un des auteurs, l'Italien Giulio Tononi, explique Steven Laureys. C'est une idée qui est très provocatrice et très controversée.»

Cette nouvelle vision de la conscience part du principe que celle-ci est liée à la capacité du cerveau d'intégrer de grandes quantités d'informations. Et ce sont ces deux paramètres, la quantité d'informations et leur niveau d'intégration, que mesurent les chercheurs après l'envoi d'une impulsion magnétique au travers de la boîte crânienne. Ces facteurs sont quantifiés et ont donné, lors des premiers tests, des scores de conscience compris entre 0,1 et 0,7.

S'ils observent que le cerveau contient bien de nombreuses informations, mais qu'elles ne sont pas reliées entre elles par l'action simultanée de plusieurs zones neuronales distinctes, cela ne veut pas forcément dire que le cerveau a un fonctionnement organisé et que la personne est consciente. À l'inverse, une activité coordonnée, mais peu importante, est aussi un mauvais signe.

Le dispositif a d'abord été testé sur des personnes éveillées et endormies, puis sur des patients anesthésiés par voie chimique et enfin des malades dans le coma dont l'état était déjà bien connu. Les tests réalisés sur une cinquantaine de personnes ont été concordants. Les personnes sous anesthésie, en phase de sommeil profond ou en coma dit «végétatif», avaient des scores inférieurs à 0,3. Les patients éveillés avaient, eux, des notes supérieures à 0,5. Entre 0,3 et 0,5, il s'agit d'un état intermédiaire de conscience partielle.

«Je ne vais pas prétendre que cette nouvelle théorie de la conscience est exhaustive, définitive et absolue, mais toutes les mesures que nous avons faites n'arrivent pas à la mettre en défaut, ce qui est très prometteur pour une possible application clinique à l'avenir», remarque le neurologue belge.

 

A Theoretically Based Index of Consciousness Independent of Sensory Processing and Behavior

 

 Adenauer G. Casali1,*,,Olivia Gosseries2,*,Mario Rosanova1,Mélanie Boly2,,Simone Sarasso1,Karina R. Casali1,3,Silvia Casarotto1,Marie-Aurélie Bruno2,Steven Laureys2,Giulio Tononi4 andMarcello Massimini1,5,§

+ Author Affiliations

  1. 1Department of Biomedical and Clinical Sciences ‘Luigi Sacco’, University of Milan, 20157 Milan, Italy.
  2. 2Coma Science Group, Cyclotron Research Centre and Neurology Department, University and University Hospital of Liège, 4000 Liège, Belgium.
  3. 3Institute of Science and Technology, Federal University of São Paulo, 12231-280 São José dos Campos, Brazil.
  4. 4Department of Psychiatry, University of Wisconsin, Madison, WI 53719, USA.
  5. 5Istituto Di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico, Fondazione Don Carlo Gnocchi, 20148 Milan, Italy.

+ Author Notes

  • * These authors contributed equally to this work.
  • † Present address: Faculty of Medicine Clinics Hospital, University of São Paulo, 05403-000 São Paulo, Brazil.
  • ‡ Present address: Department of Psychiatry, University of Wisconsin, Madison, WI 53719, USA.
  1. §Corresponding author. E-mail: marcello.massimini@unimi.it

Abstract

One challenging aspect of the clinical assessment of brain-injured, unresponsive patients is the lack of an objective measure of consciousness that is independent of the subject’s ability to interact with the external environment. Theoretical considerations suggest that consciousness depends on the brain’s ability to support complex activity patterns that are, at once, distributed among interacting cortical areas (integrated) and differentiated in space and time (information-rich). We introduce and test a theory-driven index of the level of consciousness called the perturbational complexity index (PCI). PCI is calculated by (i) perturbing the cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) to engage distributed interactions in the brain (integration) and (ii) compressing the spatiotemporal pattern of these electrocortical responses to measure their algorithmic complexity (information). We test PCI on a large data set of TMS-evoked potentials recorded in healthy subjects during wakefulness, dreaming, nonrapid eye movement sleep, and different levels of sedation induced by anesthetic agents (midazolam, xenon, and propofol), as well as in patients who had emerged from coma (vegetative state, minimally conscious state, and locked-in syndrome). PCI reliably discriminated the level of consciousness in single individuals during wakefulness, sleep, and anesthesia, as well as in patients who had emerged from coma and recovered a minimal level of consciousness. PCI can potentially be used for objective determination of the level of consciousness at the bedside.


 

 

Plus de lésions cérébrales chez les pilotes


 

 Estelle Elkaim - le 22/08/2013
Les pilotes qui volent à très haute altitude seraient trois fois plus exposés aux lésions cérébrales que les autres, rapporte une étude américaine.

 

Une étude publiée dans la revue américaineNeurology a démontré que les pilotes d'avions espions présenteraient trois fois plus de lésions céébrales que les personnes ordinaires. Ces lésions seraient une conséquence à long terme des vols à très haute altitude. Si l'on connaît les suites des «accidents de décompression» dus à une perte de pressurisation en un court laps de temps, les spécialistes ne s'étaient pas encore penchés sur les risques de maladies dégénératives du cerveau qui pourraient être provoquées par des conditions de vol trop extrêmes.

Les 102 pilotes de l'armée de l'Air américaine observés par les chercheurs de l'Université du Texas ont tous un point commun: ils pilotent des avions Lockheed U-2, dont la particularité est de pouvoir voler jusqu'à 21.000 mètres d'altitude, soit deux fois plus haut que les avions de ligne. Toutefois, ces engins fabriqués dans les années soixante ne disposent que d'un cockpit partiellement pressurisé. Autrement dit, à 21000 mètres d'altitude, la pression atmosphérique dans le cockpit est aussi faible qu'au sommet du Mont Everest, qui culmine à plus de 8800 mètres d'altitude.

Afin de prévenir une partie des risques encourus par les pilotes, la médecine militaire a mis en place plusieurs dispositifs. Par exemple, les pilotes doivent respirer de l'oxygène pur avant d'effectuer un vol. La durée des vols à très haute altitude a aussi été écourtée, et le temps passé au sol entre deux missions doit désormais être supérieur à 9 heures.

La pression atmosphérique en cause

La pression relative d'oxygène et d'azote dans l'atmosphère et dans l'organisme serait responsable des lésions cérébrales des pilotes. En effet, au niveau de la surface terrestre, la pression veineuse et artérielle du corps humain est égale à la pression atmosphérique: les organes sont correctement oxygénés. En revanche, si l'on prend de l'altitude, cette pression va baisser. «A mesure que l'on prend de l'altitude, l'azote est relâché dans les tissus et crée des bulles dans les vaisseaux sanguins», explique au Figaro le Professeur Steve McGuire, auteur principal de l'étude. «Ce sont ces bulles qui créent les inflammations responsables des lésions cérébrales», précise-t-il. C'est pour cette raison que les cabines des avions de ligne reproduisent une pression atmosphérique optimale, équivalente à celle d'une station de ski (1800 mètres).

Les lésions repérées chez les pilotes seraient quatre fois plus importantes en volume que chez les autres personnes. De plus, contrairement aux symptômes en apparence inquiétants des accidents de décompression brutaux (ralentissement de la pensée, perte de réactivité, confusion, qui peuvent être traités immédiatement par une ré-oxygénation du cerveau), leurs lésions sont permanentes. Et elles touchent toutes les parties de la substance blanche - le centre du système nerveux - a contrario des lésions qui apparaissent naturellement avec l'âge dans la partie frontale. Les dommages peuvent alors être conséquents. Une autre étude, publiée en 2010 dans le British Medical Journal et menée par la chercheuse Stéphanie Debette sur un échantillon de population générale, montrait que des lésions cérébrales importantes pouvaient entraîner, entre autres, des arrêts cardiaques et la démence.

Pas de séquelles constatées

«À ce jour, il serait toutefois hasardeux d'étendre ces observations aux pilotes de lignes. Mais le cas des alpinistes et des pilotes privés, qui dépassent régulièrement 5000 mètres sans prendre de précautions particulières, mériterait d'être étudié», prévient le Pr Steve McGuire. Heureusement, les chercheurs américains précisent ne pas avoir encore décelé de séquelles permanentes tel que le déclin de la mémoire chez les pilotes observés pendant l'étude.


 

La perception du temps


http://www.canalacademie.com/emissions/ecl686.mp3

enregistrement radio  

avec le neurologue Jean Cambier, de l’Académie de médecine

Qu’il s’agisse de notre respiration, des battements de notre cœur ou de nos phases de veille et de sommeil, ces différents rythmes s’inscrivent dans le temps, dans la vie. C’est notre système nerveux qui gère en grande partie ces rythmes. Alors comment notre cerveau perçoit-il le temps ? Jean Cambier, à travers la présentation de son ouvrage Du temps et des hommes développe au cours de cette émission la différence entre le temps perçu et le temps ressenti.
  
 

Le neurologue Jean Cambier s’attache à citer les philosophes pour introduire la notion du temps chez l’homme : « Le temps est un concept. On ne peut pas définir le temps comme une chose que l’on pourrait tenir ou voir. Saint Augustin l’a défini en disant : « C’est en toi mon esprit que je connais le temps ». C’est donc le cerveau de l’homme qui a conçu cette notion de temps. Et l’ouvrage de JeanCambier  a pour objectif de montrer comment s’est développée progressivement cette notion du temps jusqu’à s’inscrire dans les structures du système nerveux.

Si la respiration et les battements du cœur sont autant de rythmes qui existent indépendamment de cette notion philosophique du temps, c’est parce que le système nerveux est naturellement producteur de rythmes « des rythmes qui vont constituer en nous une pré-conscience du temps » précise Jean Cambier.

Chez l’enfant, le rythme des tétés est la première inscription du temps dans la vie de l’individu. Notre corps est ainsi rythmé par les cycles circadiens (jour / nuit, veille / sommeil), supradiens (cycles mensuels, hibernation, migration) et infradiens (à l’intérieur d’une journée, l’appétit, les sécrétions hormonales). 
Ainsi « tout est géré par des ensembles de neurones, des noyaux dans le tronc cérébral dont le fonctionnement est totalement indépendant de notre volonté. Ils sont inscrits comme une horloge fondamentale. Ce sont les noyaux surpra-chiasmatiques qui règlent ainsi la vie en fonction de la nature et du comportement des espèces » nous explique Jean Cambier. S’ajoute à ces horloges inhérentes à notre corps, des « synchroniseurs » telle que la lumière par exemple, qui permet de mettre à jour l’horloge fondamentale.

Au cours de ses consultations, Jean Cambier a pu observer un garçon de 20 ans porteur d’une tumeur lui comprimant les structures de la base du cerveau. « Il avait perdu toute notion du temps, ne faisant plus la différence entre les jours, les mois, les années, incapable de se rappeler son âge. Parallèlement à la perte de notion du temps, il avait développé des troubles du sommeil, des hallucinations hypnagogiques ». Cet exemple montre bien comment les rythmes fondamentaux peuvent être liés.

La perception de l’instant présent

Avez-vous déjà remarqué comme il est curieux que nous ayons conscience de vivre l’instant présent, d’arrêter le temps dans une représentation du moment ? Si les philosophes ont très longtemps buté sur ce point (pour Bergson, c’était une affaire d’attention à la vie ; Heidegger évoquait pour sa part une distension de l’âme livrée à elle-même), la physiologie nous permet aujourd’hui d’expliquer ces deux aspects de la perception du moment.

« L’attention à la vie est sous la dépendance du système dopaminergique (le même qui est responsable de la maladie de Parkinson). Le système dopaminergique repose sur deux mécanismes : 
- Le dispositif nigro-striée. Il joue un rôle important dans le contrôle du mouvement 
- Le dispositif méso-limbique. Il agit sur le cerveau limbique, le cortex frontal, pour gérer l’attention. Ce système intervient manifestement dans la gestion du moment.

Les personnes touchées par la maladie de Parkison subissent un ralentissement de cette horloge. Si on les traite par la dopamine, intermédiaire chimique du système dopaminergique, l’horloge retrouve son fonctionnement normal. 
A l’inverse chez les schizophrènes, on observe une accélération de cette horloge et le traitement administré ralentit le système ».

La place de la mémoire de travail dans la perception du temps

Les neuropsychologues savent désormais que la mémoire de travail a son rôle à jouer dans la perception du temps. La mémoire de travail a deux composantes, différenciées selon les hémisphères cérébraux : 
-  L’hémisphère gauche est dédié au langage : c’est ce qu’on appelle la boucle audi phonatoire. Elle est le support du langage intérieur, de notre pensée verbale. 
-  L’hémisphère droit est dédié à une mémoire à court terme visiospatiale, qui correspond également à la mémoire à court-terme. C’est avec l’hémisphère droit que vous allez retrouver les lunettes que vous venez de déposer quelque part.

« Ces deux mémoires différenciées selon les hémisphères sont contrôlées par le lobe frontal. Ce dernier dépend du système dopaminergique. C’est ainsi que se reconstitue cette horloge fondamentale qui gère le moment présent ».

L’un des nombreux exemples cités dans l’ouvrage de Jean Cambier, celui d’une femme opérée pour des épilepsies à répétition, nous éclaire encore un peu plus sur les interactions entre hémisphères droit et gauche. Conséquence de l’opération, la patiente se retrouve amputée de la mémoire de ses 10 dernières années. 
Il s’agit bien d’une altération de la mémoire à long terme, mais curieusement, c’est bien l’hémisphère droit qui est endommagé. « Cette patiente a perdu la capacité de gérer la mémoire épisodique, une mémoire qui permet de nous représenter les successions d’événements comme quelque chose qui se déroule dans le temps. L’hémisphère droit joue un rôle important dans la chronologie. »

La pression sociale du temps

Outre le temps vécu, la pression sociale du temps qui s’exerce sur nous devient de plus en plus forte. Eviter les signes du temps qui passe, respecter les horaires fixes des transports, pointer au travail, rentabiliser au maximum nos efforts… « La pression sociale exacerbe l’importance du temps et l’utilisation que nous en avons » résume Jean Cambier. 
« Pour optimiser ce temps, nous faisons appel à la mémoire prospective. Elle nous permet de gérer le présent, organiser un emploi du temps et éviter les distractions ».

Ecoutez les explications de Jean Cambier au cours de cette émission. 
Jean Cambier est médecin, chef de service de neurologie, professeur émérite de neurologie à l’université Paris VII, ancien Président de la société française de neurologie.


 

Direct Brain-to-Brain Communication in Humans: A Pilot Study

Stéphany Gardier - le 28/08/2013

Les ondes cérébrales d'un chercheur ont permis de faire bouger le bras de son collègue. 

En mars dernier la nouvelle avait fait grand bruit: une équipe américano-brésilienne dirigée par Miguel Nicolelis avait réussi à faire communiquer deux rats, distants de plusieurs milliers de kilomètres, uniquement par la pensée. Des chercheurs de Seattle ont reproduit l'expérience, mais avec deux êtres humains cette fois-ci!

La vidéo mise en ligne par l'université de Washington (cliquez si souhait sur ce lien) il y a quelques jours montre deux volontaires, chacun assis dans une pièce, à quelques centaines de mètres l'un de l'autre. Le premier, Rajesh Rao, porte une sorte de bonnet recouvert d'électrodes, qui permettent d'enregistrer les ondes émises par son cerveau, l'électroencéphalogramme (EEG). Le second, Andrea Stocco porte, lui, un bonnet de bain violet qui maintient en place une antenne émettrice d'ondes électro-magnétiques. Les deux sujets sont en fait collègues et co-responsables de l'étude en cours.

Rajesh Rao, dont l'activité cérébrale est enregistrée en continu, est face à un jeu vidéo simple, dans lequel il faut viser une cible et déclencher un tir de canon en appuyant sur la barre d'espace du clavier. Quand la cible apparaît sur l'écran, le chercheur doit se concentrer et imaginer le geste qu'il l'exécuterait avec la main. Les ondes produites par son cerveau pour coder cette action sont alors détectées par un ordinateur.

Pendant ce temps-là, à l'autre bout du campus, Andrea Stocco est assis, sa main droite au-dessus d'un clavier. Dans son dos un écran où le même jeu vidéo est en train de se dérouler. Andrea ne voit pas ce qui se passe et des boules Quiès l'empêchent d'entendre ce qui se passe dans la pièce. Aucun moyen de tricher!

Les cris des collègues présents dans la salle marquent le succès de l'expérience: Andrea a appuyé de manière non-volontaire sur la barre d'espace de son clavier, atteignant la cible visée par Rajesh.

«Excitant et inquiétant»

«C'était à la fois excitant et inquiétant de voir une action que j'avais imaginée traduite en un geste bien réel, mais par un autre cerveau que le mien», a déclaré Rajesh Rao après l'expérience. Andrea Stocco a décrit lui l'action involontaire de sa main comparable à la sensation d'«un tic nerveux».

Cette performance, qui montre pour la première fois deux cerveaux humains interconnectés en temps réel, n'est qu'un premier pas dans le projet mené par les chercheurs américains: «La prochaine étape sera d'avoir une véritable conversation entre les deux encéphales, que la communication ne soit plus unidirectionnelle mais bidirectionnelle», a expliqué Rajesh Rao.

S'il salue le travail réalisé par les chercheurs américains, François Cabestaing n'est guère impressionné par la performance. Professeur à l'université Lille-I et spécialiste des interfaces cerveau-machine, il rappelle que les techniques utilisées par l'équipe de Rao et Stocco sont connues et utilisées depuis longtemps. «L'électroencéphalogramme permet de détecter l'activité cérébrale correspondant à l'action imaginée par Rao, détaille-t-il. Le signal est ensuite transmis par Internet à un autre ordinateur. Celui-ci pilote l'antenne de stimulation magnétique transcrânienne qui va stimuler le cortex moteur de Scotto et lui faire bouger la main.» C'est cependant la première fois que les deux techniques sont utilisées conjointement pour connecter deux cerveaux humains.

 

infographie, controle de l'esprit a distanceLe Pr Cabestaing admet que la démonstration a le mérite d'attirer l'attention sur un domaine de la recherche qu'il estime en perte de dynamisme. Beaucoup de progrès ont été faits concernant les interfaces cerveau-machine, principalement dans les applications de l'aide aux personnes handicapées. Mais il reste de nombreux défis à relever.

 

«Cette expérience est intéressante, mais encore faudrait-il savoir sur quoi elle pourrait déboucher concrètement», ajoute François Cabestaing. Les chercheurs américains, qui ont en tout cas réussi un joli coup de communication, restent assez évasifs sur l'apport concret de cette démonstration. Ils tiennent cependant à rassurer ceux que leurs travaux pourraient effrayer: «Il n'y a absolument aucune possibilité d'utiliser notre système sur une personne qui ne serait pas consentante!»


 

Actionner un bras à distance par la pensée


 

 
Damien Mascret - 02/2014

Un macaque qui actionne un joystick pour diriger une flèche vers une cible sur un écran placé en face de lui. À première vue la scène n'est pas très spectaculaire et a été déjà vue. Sauf que cette fois, le primate est artificiellement paralysé et que les signaux moteurs, c'est-à-dire les ordres de mouvements qui partent du cerveau, ne proviennent pas du sien mais d'électrodes implantées dans sa moelle épinière au niveau des cinquième et sixième vertèbres cervicales.

Plus étonnant encore, les impulsions provenaient du cerveau d'un autre macaque sur lequel l'activité cérébrale était enregistrée. Expérience pionnière d'un avatar contrôlé par la pensée d'un autre.

«Il est très important de développer des modèles animaux réalistes pour étudier l'interface entre le cerveau et les muscles des membres d'un individu paralysé», explique au Figaro le Pr Lee Miller, professeur de neurosciences à la Northwestern University de Chicago.

Un pas de plus, donc, vers le rêve des chercheurs de redonner un jour la maîtrise de leurs mouvements à des personnes paralysées. On estime que la moitié des traumatisés de la moelle épinière qui survivent à leur accident ont des lésions situées au-dessus des cinquième et sixième vertèbres cervicales, ce qui entraîne une tétraplégie (paralysie des bras et des jambes). Le moindre mouvement récupéré constituerait un formidable progrès pour leur vie quotidienne.

L'expérience de Mme le Pr Maryam Shanechi, ingénieur en informatique à la Cornell University d'Ithaca (États-Unis), réalisée avec l'aide des neurochirurgiens de Harvard Rollin Hu et Zuv Williams, publiée dans Nature Communication, constitue bien un espoir. Elle montre en effet qu'il est possible d'enregistrer des programmes d'action potentiellement utilisables pour générer un mouvement, alors même que la connexion entre le cerveau et la moelle épinière a été accidentellement interrompue.

Chez l'homme d'ici dix ans

Habituellement, pour commander un mouvement, notre cerveau fonctionne en deux étapes. D'abord la zone du cortex prémoteur prépare ce mouvement. Ensuite une autre région, le cortex moteur, donne l'ordre aux muscles de le réaliser. «Beaucoup de progrès ont déjà été faits dans l'identification des mouvements dirigés grâce à l'enregistrement de l'activité du cortex prémoteur et moteur», rappelle le Pr Miller. Le problème est qu'un simple mouvement implique un jeu complexe de contractions et décontractions de différents muscles. Les recherches sur les interfaces homme-machine, dans lesquelles les chercheurs s'efforcent de commander une prothèse par la pensée, butent encore sur la complexité des mouvements.

«Plutôt que sur le déroulement détaillé du geste, nous nous sommes concentrés sur l'objectif du mouvement que préparait le premier animal, explique le Pr Shanechi, ainsi il était plus facile de trouver la combinaison de stimulations de la moelle épinière qui allait bouger le bras du deuxième animal dans la bonne direction.»

Le Pr Miller reste toutefois prudent: «Il n'est pas évident que l'on puisse étendre cette technique à des mouvements plus compliqués que ceux, très élémen­taires, de l'expérience.» Le Pr Eberhard Fetz, chef du département de neuroscience du Centre national de recherche sur les primates de l'Université de Washington est, lui aussi, dubitatif: «Le fait que les cibles à atteindre dans l'expérience soient celles qui étaient prévues par les stimulations des électrodes implantées dans la moelle épinière est une restriction significative qu'il faut garder à l'esprit», tempère-t-il. «En d'autres termes, on ne peut conclure qu'il sera possible d'obtenir la même chose avec des cibles qui n'auront pas été prédéterminée», ajoute-t-il. Le Pr Shanechi est plus optimiste: «Si nous continuons d'améliorer ces dispositifs, ils seront utilisables chez l'homme d'ici dix ans», confie-t-elle au Figaro.