L'un des phénomènes les plus mystérieux et encore partiellement non résolus est le cerveau humain. De nombreuses questions gravitent autour de cet organe complexe : pourquoi rêvons-nous, comment les émotions influencent-elles la prise de décision, quelles cellules nerveuses sont responsables de la perception de la lumière et du son, pourquoi certains aiment les sprats alors que d'autres adorent les olives ? Toutes ces questions concernent le cerveau, car il est le processeur central de l'organisme humain. Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont accordé une attention particulière au cerveau des personnes qui se distinguaient d'une manière ou d'une autre de la foule (des génies autodidactes aux psychopates calculés). Mais il existe une catégorie de personnes dont le comportement inhabituel est associé à leur âge : les adolescents. Beaucoup d'adolescents possèdent un sens aigu de la contradiction, un esprit d'aventure et un désir irrésistible de trouver des aventures. Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont décidé d'examiner de plus près les cerveaux mystérieux des adolescents et les processus qui s'y déroulent. Ce qu'ils ont réussi à découvrir fait l'objet de leur rapport. Allons-y.
Fondement de l'étude
Tout appareil en technologie et chaque organe dans l'organisme ont leur propre architecture qui leur permet de fonctionner efficacement. Le cortex cérébral humain est organisé selon une hiérarchie fonctionnelle, allant du cortex sensoriel unidimensionnel sensoriel* et se terminant par le cortex associatif ..
Le cortex sensoriel du cerveau* — partie du cortex cérébral responsable de la collecte et du traitement des informations reçues des organes sensoriels (yeux, langue, nez, oreilles, peau et appareil vestibulaire).
Le cortex associatif* — partie du cortex pariétal du cerveau impliquée dans la réalisation de mouvements planifiés. Lorsque nous nous apprêtons à effectuer un mouvement, notre cerveau doit savoir où se trouve, à cet instant, le corps et ses parties qui seront déplacées, ainsi que la position des objets dans l'environnement externe avec lesquels une interaction est prévue. Par exemple, vous souhaitez prendre une tasse, et votre cerveau sait déjà où se trouvent votre main et la tasse elle-même.
Une telle hiérarchie fonctionnelle est déterminée par l'anatomie des voies de matière blanche*, qui coordonnent l'activité neuronale synchronisée et la cognition*.
La matière blanche* — si la matière grise est constituée de neurones, la matière blanche est composée d'axones recouverts de myéline, à travers lesquels les impulsions sont transmises du corps cellulaire à d'autres cellules et organes.
Cognition* (acquisition de connaissances) — ensemble des processus liés à l'acquisition de nouvelles connaissances sur le monde environnant.
L'évolution du cortex cérébral chez les primates et le développement du cerveau humain se caractérisent par une expansion ciblée et un remodelage des zones associatives transmodales, qui sont à la base des processus de représentation sensorielle d'informations et des règles abstraites pour atteindre un but.
Le processus de développement du cerveau prend beaucoup de temps, durant lequel de nombreux processus d'amélioration du cerveau en tant que système se produisent : myélinisation*, élagage synaptique* etc.
Myélinisation* — les oligodendrocytes (un type de cellules gliales du système nerveux) entourent une certaine partie de l'axone, entraînant une connexion d'un oligodendrocyte avec plusieurs neurones. Plus un axone est actif, plus sa myélinisation est forte, car cela augmente son efficacité.
Élagage synaptique* — réduction du nombre de synapses/neurones pour améliorer l'efficacité du système neuro, c'est-à-dire se débarrasser des connexions inutiles. En d'autres termes, c'est l'application du principe « pas en quantité, mais en qualité ».
Durant la formation du cerveau, une spécification fonctionnelle se forme dans le cortex associatif transmodal, ce qui influence directement le développement des fonctions exécutives de haut niveau, telles que mémoire de travail*, flexibilité cognitive* et contrôle inhibiteur*.
Mémoire de travail* — système cognitif de stockage temporaire d'informations. Ce type de mémoire s'active au moment des processus de pensée actuels et participe à la prise de décisions et à la formation de réponses comportementales.
Flexibilité cognitive* — capacité à passer d'une pensée à une autre et/ou à réfléchir à plusieurs choses en même temps.
Contrôle inhibiteur* (réaction d'inhibition) — fonction exécutive qui supervise la capacité d'une personne à supprimer ses réactions comportementales impulsives (naturelles, habituelles ou dominantes) aux stimuli afin de réaliser une réponse plus appropriée à une situation donnée (stimulus externe).
L'étude des liens structuraux et fonctionnels du cerveau a commencé assez tôt. Avec l'émergence de la théorie des réseaux, il est devenu possible de visualiser les connexions structurales et fonctionnelles dans les systèmes neurobiologiques et de les catégoriser. En soi, le lien structuraux-fonctionnel est le degré auquel la distribution des connexions anatomiques dans une région du cerveau soutient une activité neuronale synchronisée.
Il a été établi qu'il existe un lien fort entre les indicateurs de connectivité structurale et fonctionnelle à différentes échelles spatio-temporelles. En d'autres termes, les méthodes d'étude plus modernes ont permis de catégoriser certaines régions du cerveau en fonction de leurs caractéristiques fonctionnelles, liées à l'âge de la région et à sa taille.
Cependant, comme l'affirment les scientifiques, il n'existe actuellement pratiquement aucune donnée concernant la manière dont les changements architecturaux de la matière blanche pendant le développement du cerveau humain soutiennent des oscillations neuronales synchronisées.
Le lien structuraux-fonctionnel est la base de la communication fonctionnelle et se produit lorsque le profil de connexion interrégionale de la matière blanche dans une région corticale prédit la force de la connectivité fonctionnelle entre régions. En d'autres termes, l'activité de la matière blanche sera reflétée dans l'activation des fonctions exécutives du cerveau, permettant ainsi d'évaluer le degré de force du lien structuraux-fonctionnel.
Pour décrire le lien structuraux-fonctionnel, les scientifiques ont avancé trois hypothèses, qui ont été testées lors de l'étude.
La première hypothèse affirme que le lien structuraux-fonctionnel reflétera la spécialisation fonctionnelle d'une région corticale. En d'autres termes, le lien structuraux-fonctionnel sera fort dans le cortex somatosensoriel, en raison des processus qui déterminent le développement précoce de hiérarchies sensorielles spécialisées. En revanche, le lien structuraux-fonctionnel sera faible dans le cortex associatif transmodal, où la communication fonctionnelle peut être affaiblie en raison de limitations génétiques et anatomiques dues à une rapide expansion évolutive.
La deuxième hypothèse repose sur la myélinisation dépendante de l'activité pendant le développement et soutient que le développement des connexions structurales et fonctionnelles sera concentré dans le cortex associatif transmodal.
La troisième hypothèse : la connexion structurale et fonctionnelle reflète la spécialisation fonctionnelle d'une zone corticale. On peut donc supposer qu'une connexion structurale et fonctionnelle plus forte dans le cortex associatif frontal-temporal participe à des calculs spécialisés nécessaires à la réalisation des fonctions exécutives.
Résultats de l'étude
Pour caractériser le développement de l'interaction structurale et fonctionnelle chez les adolescents, les chercheurs ont mené une évaluation quantitative du degré auquel les connexions structurelles des différentes régions du cerveau soutiennent des oscillations synchronisées de l'activité neuronale.
En utilisant des données multimodales d'imagerie neurovasculaire provenant de 727 participants âgés de 8 à 23 ans, une tractographie de diffusion probabiliste a été réalisée et l'évaluation de la connectivité fonctionnelle entre chaque paire de zones corticales a été effectuée pendant l'exécution de la tâche n-back*, liée à l'activité de la mémoire de travail.
La tâche n-back* est une méthode de stimulation de l'activité de zones précises du cerveau et d'évaluation de la mémoire de travail. Le sujet reçoit une série de stimuli (visuels, sonores, etc.). Il doit déterminer et indiquer si un stimulus donné était présent n positions auparavant. Par exemple : T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (tâche 3-back, où une lettre donnée est apparue 3 positions auparavant).
La connectivité fonctionnelle au repos reflète les oscillations spontanées de l'activité neuronale. En revanche, lors de l'exécution d'une tâche de mémoire de travail, la connectivité fonctionnelle peut renforcer certaines connexions nerveuses ou populations participant aux fonctions exécutives.
Image n°1 : mesure de la connexion structurale et fonctionnelle du cerveau humain.
Les nœuds dans les réseaux structurels et fonctionnels du cerveau ont été définis en utilisant une parcellisation corticale à 400 zones, fondée sur l'homogénéité fonctionnelle des données IRM des participants à l'étude. Pour chaque participant, les profils régionaux de connectivité ont été extraits de chaque ligne des matrices de connectivité structurelle ou fonctionnelle et présentés sous forme de vecteurs de force de connexion d'un nœud de réseau neuronal à tous les autres nœuds.
Tout d'abord, les chercheurs ont vérifié si la distribution spatiale des connections structurales et fonctionnelles correspondait aux propriétés fondamentales de l'organisation corticale.
Image n°2
Il convient de noter que la relation entre les profils régionaux de connectivité structurelle et fonctionnelle variait considérablement à travers le cortex (2A). Une connexion plus forte a été observée dans le cortex sensoriel primaire et le cortex préfrontal médian. En revanche, dans les régions latérales, temporales et fronto-temporales, la connexion était assez faible.
Pour une évaluation plus claire de la relation entre la connectivité structurelle et fonctionnelle et la spécialisation fonctionnelle, le coefficient de « participation » a été calculé, représentant une représentation graphique de la définition quantitative de la connectivité entre les secteurs fonctionnellement spécialisés du cerveau. Chacune des régions cérébrales a été attribuée à sept réseaux neuronaux fonctionnels classiques. Les nœuds neuronaux du cerveau avec un coefficient de participation élevé démontrent une connectivité intermodulaire variée (connexion entre les régions du cerveau) et peuvent donc influencer les processus de transmission d'information entre les régions, ainsi que leur dynamique. À l'inverse, les nœuds avec un faible coefficient de participation montrent des connexions plus locales à l'intérieur de la région du cerveau elle-même, plutôt qu'entre plusieurs régions. En d'autres termes, si le coefficient est élevé, différentes régions du cerveau interagissent activement entre elles ; s'il est bas, l'activité se produit à l'intérieur de la région sans connexion avec les régions voisines (2C).
Une évaluation a ensuite été effectuée sur la relation entre la variabilité de la connectivité structurelle et fonctionnelle et la hiérarchie fonctionnelle à grande échelle. La connectivité structurelle et fonctionnelle coïncide largement avec le principal gradient de la connectivité fonctionnelle : les régions sensorielles unimodales montrent une connexion structurelle et fonctionnelle relativement forte, tandis que les régions transmodales au sommet de la hiérarchie fonctionnelle montrent une connexion plus faible (2D).
Il a également été établi qu'il existe une forte corrélation entre la connectivité structurelle et fonctionnelle et l'expansion évolutive de la surface corticale (2E). Les régions sensorielles hautement conservées avaient une connexion structurelle et fonctionnelle relativement forte, alors que les régions transmodales fortement étendues avaient une connexion plus faible. Ces observations confirment entièrement l'hypothèse selon laquelle la connectivité structurelle et fonctionnelle reflète la hiérarchie corticale de spécialisation fonctionnelle et l'expansion évolutive.
Image n°3
Les scientifiques rappellent une fois de plus que les recherches précédemment menées se sont principalement concentrées sur l'étude de la connectivité structurelle et fonctionnelle dans le cerveau de l'adulte. Dans ce travail, l'accent a été mis sur l'étude du cerveau encore en développement, c'est-à-dire sur l'étude du cerveau des adolescents.
Il a été constaté que dans le cerveau des adolescents, les différences d'âge dans les connexions structurelles et fonctionnelles étaient largement réparties dans les cortex temporaux latéraux, pariétaux inférieurs et préfrontaux (3A). Les renforcements de la connectivité étaient répartis de manière disproportionnée à travers les régions corticales, c'est-à-dire qu'ils étaient présents dans un sous-ensemble unique de régions corticales fonctionnellement distinctes (3B), ce qui n'était pas observé dans le cerveau des adultes.
L'ampleur des différences d'âge dans les connexions structurelles et fonctionnelles a fortement corrélé avec le coefficient de participation fonctionnelle (3C) et le gradient fonctionnel (3D).
La répartition spatiale des différences d'âge dans les liens structuraux et fonctionnels correspondait également à l'expansion évolutive du cortex. Une augmentation de la connectivité avec l'âge a été observée dans le cortex associatif étendu du cerveau, tandis qu'une diminution de la connectivité a été remarquée dans le cortex sensorimoteur hautement conservé (3E).
Au stade suivant de l'étude, 294 participants ont passé une nouvelle évaluation cérébrale 1,7 an après la première. Cela a permis de déterminer le lien entre les changements d'âge de la connectivité structurale et fonctionnelle et les changements de développement intra-individuels. Pour cela, une évaluation des changements longitudinaux de la connectivité structurale et fonctionnelle a été réalisée.
Image n°4
Une correspondance significative a été trouvée entre les changements d'âge transversaux et longitudinaux sur la connectivité structurale et fonctionnelle (4A).
Pour vérifier la relation entre les changements longitudinaux de la connectivité structurale et fonctionnelle (4B) et les changements longitudinaux du coefficient de participation fonctionnelle (4C) une régression linéaire a été utilisée. Il a été découvert que les changements longitudinaux de la connectivité correspondaient aux changements longitudinaux du coefficient de participation fonctionnelle dans les zones associatives étendues de haut niveau, y compris dans le cortex préfrontal dorsolatéral et médial, le cortex pariétal inférieur et le cortex temporal latéral (4D).
Image n°5
Les chercheurs ont ensuite tenté de comprendre les implications des différences individuelles dans la connectivité structurale et fonctionnelle pour le comportement. En particulier, si la connectivité structurale et fonctionnelle pendant l'exécution d'une tâche de mémoire de travail peut expliquer la performance exécutive. Il a été établi que l'amélioration des performances exécutives était liée à une plus forte connectivité structurale et fonctionnelle dans le cortex préfrontal rostrolatéral, le gyrus cingulaire postérieur et le cortex occipital médial (5A).
L'ensemble des observations décrites ci-dessus conduit à plusieurs conclusions principales. Tout d'abord, les changements régionaux dans la connectivité structurelle et fonctionnelle sont inversement proportionnels à la complexité de la fonction dont une certaine zone du cerveau est responsable. Une connexion structurelle et fonctionnelle plus forte a été découverte dans les parties du cerveau spécialisées dans le traitement de l'information sensorielle simple (par exemple, les signaux visuels). En revanche, les zones du cerveau impliquées dans des processus plus complexes (fonction exécutive et contrôle inhibiteur) présentent une connexion structurelle et fonctionnelle plus faible.
Il a également été constaté que la connectivité structurelle et fonctionnelle est en accord avec l'expansion évolutive du cerveau observée chez les primates. Des études comparatives antérieures sur le cerveau de l'homme, du primate et du singe ont montré que les zones sensorielles (par exemple, le système visuel) sont très conservatrices entre les espèces de primates et n'ont pas beaucoup évolué durant la récente évolution. Cependant, les zones associatives du cerveau (par exemple, le cortex préfrontal) ont subi une expansion significative. Cette expansion pourrait avoir directement influencé l'émergence chez l'homme de capacités cognitives complexes. Il a été révélé que les zones du cerveau qui se sont rapidement étendues au cours de l'évolution avaient une connectivité structurelle et fonctionnelle plus faible, tandis que les zones sensorielles simples présentaient une connectivité plus forte.
Chez les enfants et les adolescents, la connectivité structurelle et fonctionnelle augmente de manière active dans les régions frontales du cerveau responsables de la fonction d'inhibition (c'est-à-dire le contrôle de soi). Ainsi, le développement prolongé de la connectivité structurelle et fonctionnelle dans ces régions pourrait améliorer la fonction exécutive et le contrôle de soi, un processus de développement qui se poursuit même à l'âge adulte.
Pour en savoir plus sur les détails de l'étude, je vous recommande de consulter le et à ce sujet.
Épilogue
Le cerveau humain a toujours été et sera encore longtemps l'un des plus grands mystères de l'humanité. C'est un mécanisme incroyablement complexe qui doit remplir de nombreuses fonctions, contrôler de nombreux processus et stocker d'énormes volumes d'informations. Pour de nombreux parents, rien n'est plus mystérieux que le cerveau de leurs adolescents. Leur comportement est parfois difficile à qualifier de logique ou de constructif, mais cela s'explique par le processus de leur développement biologique et de leur épanouissement social.
Bien sûr, les changements dans les connexions structurelles et fonctionnelles de certaines zones du cerveau et l'influence des réaménagements hormonaux peuvent être une justification scientifique du comportement particulier des jeunes, mais cela ne signifie pas qu'ils ne doivent pas être guidés. L'homme n'est pas par nature un être asocial. Si quelqu'un s'écarte des autres, ce n'est certainement pas en raison de notre prédisposition biologique. Par conséquent, l'implication active des parents dans la vie de leurs enfants est un aspect extrêmement important de leur développement.
Il est également important de comprendre qu'un enfant de trois ans est déjà une personnalité avec son propre caractère, ses propres désirs et sa propre vision du monde qui l'entoure. Le parent ne doit pas devenir invisible pour son enfant en le laissant prendre son envol, mais il ne doit pas non plus se transformer en un mur de béton qui le protège de la connaissance du monde. Parfois, il faut pousser, parfois retenir, parfois donner une totale liberté, et parfois, en faisant preuve d'autorité parentale, dire un ferme « non », même si l'enfant n'est pas content.
Être parent est difficile, et être un bon parent l'est encore plus. Mais être adolescent n'est pas si simple non plus. Le corps change extérieurement, le cerveau évolue, l'entourage change (de l'école à l'université), et le rythme de vie change. De nos jours, la vie ressemble souvent à une course de Formule 1, où il n'y a pas de place pour la lenteur. Mais une grande vitesse est associée à un grand risque, alors un pilote inexpérimenté peut en souffrir. La tâche du parent est de devenir l'entraîneur de son enfant pour le préparer à affronter le monde, sans craindre pour son avenir.
Certains parents se considèrent plus intelligents que d'autres, certains sont prêts à appliquer n'importe quel conseil entendu sur Internet ou de la voisine, tandis que d'autres se moquent des subtilités de l'éducation. Les gens sont différents, mais tout comme la communication entre les départements du cerveau humain est essentielle, la communication entre parents et enfants joue un rôle tout aussi crucial dans l'éducation.
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Source : habr.com
