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Notre cerveau: un chaos bien organisé - Une équipe de l'UNIGE décrypte un des mécanismes de la conscience

Déchiffrer le mystère de la conscience est le défi majeur des neurosciences actuelles. Dans ce contexte, une équipe de l'Université de Genève (UNIGE) vient de mettre en lumière une caractéristique importante de la pensée consciente. Grâce aux technologies de pointe en neuroimagerie du Brain & Behaviour Laboratory (BBL) et à des méthodes d'analyses mathématiques, cette équipe a montré que la pensée consciente peut se décomposer en une succession de micro-états cérébraux ou «atomes de la pensée». La séquence temporelle de ces micro-états n'est ni aléatoire, ni déterminée, mais chaotique, ce qui signifie qu’elle a une structure, mais qui ne peut pas être anticipée. Cette organisation chaotique de l'activité cérébrale apparaît comme la clef permettant au cerveau de réagir rapidement à des événements inattendus. Cette étude, qui fait l’objet d’une publication dans la revue PNAS, constitue un pas en avant sur la piste de la compréhension de la conscience, ainsi que de certaines maladies mentales.

Le fonctionnement de la conscience reste une question encore très mal comprise des scientifiques. Beaucoup ont essayé d'en saisir les fondements en élaborant des modèles théoriques, mais peu ont réellement tenté d’en comprendre l'organisation cérébrale à partir de mesures de l'activité neuronale. Les prof. Dimitri Van De Ville et Christoph Michel, de la Faculté de médecine et du Centre de neurosciences de l'UNIGE, en collaboration avec l'Institut de Bioingénierie de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), ont mis en place une expérience pour mieux saisir comment la pensée spontanée et consciente s'organise.

En effet, les chercheurs ont mesuré l'activité cérébrale de volontaires en utilisant simultanément deux méthodes de neuroimagerie du Brain & Behaviour Laboratory (BBL) de l’UNIGE: l'électro-encéphalographie (EEG), qui permet d'obtenir des mesures à des échelles de temps de l'ordre de la milliseconde, et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui permet de suivre l'activité du cerveau sur des échelles de temps de l'ordre de la seconde. Durant les enregistrements, les volontaires devaient laisser libre cours à leurs pensées, sans se focaliser sur une idée particulière. Les signaux provenant de ces enregistrements ont été analysés à l'aide d'outils mathématiques.

Les atomes de la pensée
A la suite de ces expériences, les scientifiques ont d'abord remarqué que l'activité cérébrale s'organise en une succession de micro-états. Ces micro-états, considérés comme les «atomes de la pensée», sont les éléments constitutifs de la cognition, un peu comme des «morceaux» de pensée. Chaque micro-état correspond à une configuration particulière de l'activité des neurones dans le cerveau. Les chercheurs ont mis en évidence quatre micro-états distincts qui correspondent aux aspects visuels, auditifs, introspectifs et attentionnels de la pensée. Une pensée apparaît donc comme une alternance de composantes visuelles, auditives, introspectives et attentionnelles.

Des fractales dans notre cerveau
En outre, en appliquant une analyse mathématique avancée sur les mesures faites au moyen de l'EEG et de l'IRMf, les chercheurs ont fait une découverte surprenante: les atomes ou morceaux de pensée se succèdent avec une structure temporelle semblable aux deux échelles de temps. La même structure est ainsi observée tant à l’échelle de l'ordre du dixième de seconde (avec l'EEG) qu'à celle de l'ordre de la dizaine de secondes (avec IRMf). Cette propriété est la caractéristique principale des fractales dans la théorie du chaos.

Un objet fractal présente le même motif lorsqu'il est regardé au microscope, à la loupe ou à l'œil nu. Il semblerait que la durée des micro-états joue un rôle prédominant dans cette organisation fractale de la pensée. «Prenons l'analogie du livre dans lequel les lettres représentent les atomes de la pensée. Ceux-ci se combinent pour former des mots, qui eux-mêmes se combinent pour former des phrases ; les phrases se combinent en paragraphes, et ainsi de suite jusqu'à obtenir un livre, tout cela avec toujours les mêmes règles syntaxiques» explique Christoph Michel, un des auteurs de l'étude. «Ce que nous avons mis en évidence, c'est une syntaxe de la pensée».

Fonctionnel grâce au chaos
Ce serait donc grâce à cette organisation «chaotique» de la pensée que le cerveau peut se réorganiser et s'adapter très rapidement selon les besoins. Des perturbations dans les micro-états pourraient être à l'origine de certaines maladies mentales. Par exemple, on a observé chez les schizophrènes des micro-états de durée plus courte que la normale, suggérant la présence de pensées inabouties. Suite à cette découverte, les chercheurs vont maintenant pouvoir s'attacher à comprendre cette syntaxe neuronale chez des patients neurologiques et chez des sujets sains qui subissent un changement de l'état de conscience, comme pendant le sommeil.

Contacts: le prof. Dimitri.VanDeVille@unige.ch, au 022 372 52 15, le prof. Christoph.Michel@unige.ch au 022 379 54 57

Dans la recherche génétique sur l’humain, HapMap 3 montre la voie

Nature publie les résultats d’une vaste étude sur les variants génétiques

Coordonné par le laboratoire d’Emmanouil Dermitzakis, professeur à la Faculté de médecine de l’Université de Genève (UNIGE) et membre du pôle de recherche national Frontiers in Genetics, un réseau international de scientifiques basés en Suisse, aux Etats-Unis et au Royaume-Uni vient d’achever la troisième phase du Projet HapMap, l’étude la plus complète et la plus ambitieuse quant à l’influence des variations génétiques sur l’activité des gènes. Ces résultats ont des implications considérables pour la compréhension de la susceptibilité à des maladies aussi bien rares que courantes. Publiés jeudi 2 septembre dans la prestigieuse revue Nature, ils constituent d’ores et déjà un cadre pour d’autres recherches à venir sur des variations communes et sur des maladies.

Malgré les progrès importants réalisés dans l’identification des variations génétiques qui influencent les maladies humaines, la plupart des facteurs prédisposants demeurent aujourd’hui encore inconnus. Une meilleure appréhension de ces facteurs nécessite des études génomiques de grande ampleur, qui visent à examiner de près des variants apparaissant à des fréquences diverses au sein de populations d’ascendance très variée.

Dénommé HapMap, ce projet tentaculaire vient d’être achevé par un consortium international, dont Emmanouil Dermitzakis, de la Faculté de médecine de l’UNIGE, est l’un des quatre coordinateurs. Au cours de la dernière phase – HapMap 3 – les chercheurs ont examiné 1184 échantillons provenant de 11 populations différentes. Cet échantillonnage varié et le vaste éventail de populations ont été choisis afin d’obtenir un maximum de variations. Le projet inclut à la fois des variations dues à des différences d’une seule lettre (SNP) et à des différences plus importantes, provenant de la perte, du gain ou de la duplication de régions du génome (CNP).

C’est ainsi que les populations analysées comprennent aussi bien des Japonais de Tokyo, des Chinois qui habitent à Denver, au Colorado, des Indiens Gujarati de Houston, au Texas, que des Maasai basés à Kinyawa, au Kenya.

«En dépit des réalisations remarquables qui ont suivi le projet de séquençage du génome humain, notre connaissance de la variation génétique humaine reste limitée » explique Richard Gibbs, l’un des principaux chercheurs impliqués dans le projet, au Baylor College of Medicine. «Dans cette dernière phase, nous avons étudié davantage de populations et avons pu inclure l’analyse de différences plus importantes que la variation d’une seule lettre dans des recherches portant sur l’ensemble du génome.»

Les variants rares sont isolés
Les résultats montrent que les variants plus rares sont distribués de façon plus inégale entre les populations. Ceci peut sembler prévisible – dans la mesure où la théorie de l'évolution veut que les variants plus communs remontent plus loin dans le temps, ayant eu plus de temps pour se répandre dans une population. Les résultats de cette phase révèlent également qu’il faut veiller à inclure de vastes groupes de populations dans ce type d’études, pour maximiser les découvertes de variants plus récents.

«Plus on observe de près les variations génétiques chez l’homme, plus le niveau de détail se précise» explique le prof. Dermitzakis. «Une tâche importante en génétique est de distinguer les détails importants pour la santé, de ceux qui sont en arrière-plan. Et cette nouvelle étape de HapMap nous a aidé à aller dans ce sens – à trier le bon grain de l'ivraie.»

Dans HapMap 3, dix segments de 100’000 bases de régions bien caractérisées ont été choisies pour le séquençage. Contrairement à la recherche faisant appel à des puces d’ADN – tel que cela se pratique dans la plupart des études actuelles – le séquençage direct n'est pas biaisé en faveur des variants plus communs et ne tient pas compte de leur fréquence, ce qui donne une estimation directe des variants.

En outre, les chercheurs ont constaté que la plupart des variants étaient relativement communs, mais ont aussi découvert un grand nombre de variants rares, présents dans moins d’une personne sur 200. Ces derniers font partie des variants dits «personnels», car ils ne sont présents que chez un seul individu. Près de huit sur dix étaient de nouveaux variants et près de quatre sur dix ont été trouvés dans une seule population.

Des variants en cours de sélection
Sur la base de ces résultats, les chercheurs émettent notamment l’hypothèse que les variants de certains gènes, y compris les gènes impliqués dans le système immunitaire, la cicatrisation des plaies et l'odorat, sont en cours de sélection dans des populations différentes. Cela implique que ces recherches doivent être encore complétées par une étude exhaustive si l’on veut obtenir une compréhension globale de la variation génétique chez l'homme.

«Certains se sont plaints du peu de résultats concrets que le projet de séquençage du génome humain a donné au cours des dix dernières années, mais ils oublient sans doute à quel point nos connaissances étaient alors réduites» relève David Altshuler, un chercheur du Broad Institute, impliqué dans le projet. «Il est au contraire stupéfiant de voir que nous sommes passés d'un séquençage complété à près de 90% à l’observation de changements génétiques dans une personne sur 200, voire moins. Il y a quelques années, nous n'avions aucune idée de l’étendue des variations structurelles et de comment nous pourrions échantillonner des variants présents à basse fréquence ou dans des populations limitées. A cet égard, le projet HapMap et d'autres grands projets d’envergure ont complètement bouleversé notre compréhension.»

Les résultats de cette étude, qui est notamment financée par le Wellcome Trust (UK), le National Institute of Health (Etats-Unis), l’UNIGE, la Fondation Louis-Jeantet ainsi que le Pôle de recherche national Frontiers in Genetics (Suisse), ont des répercussions sensibles dans le domaine de la santé. En effet, s’il est habituellement entendu que les variantes d’ADN qui influent sur l’activité des gènes peuvent favoriser une susceptibilité à certaines maladies – principalement à des pathologies courantes, telles que le diabète, les maladies cardiovasculaires ou l’asthme –, la compréhension de différences aussi subtiles devrait favoriser l’élaboration plus rapide et plus ciblée de thérapies.

Contacts: Emmanouil.Dermitzakis@unige.ch au +41 (0)78 882 79 22