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Le cerveau virtuel simule le cerveau pour révéler les origines des troubles

La capacité humaine à utiliser un «outil» (notre cerveau) pour construire un autre outil afin d’expliquer le fonctionnement du premier outil est un don évolutif qui nous distingue des autres animaux. Des moteurs de simulation puissants comme le «cerveau virtuel» illustrent à la fois ce don et son déploiement.

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© Jessica Palmer

Ironie de l’esprit, la complexité même du cerveau humain rend difficile la théorisation de son fonctionnement, en utilisant uniquement la pensée. Cependant, les modèles informatiques peuvent simuler les conséquences des théories, identifier les problèmes et formuler de nouvelles théories pour les tests neuroscientifiques.

Dans le cadre du HBP (Human Brain Project), la simulation du cerveau à grande échelle, et plus particulièrement le cerveau virtuel inclus, permet de mieux comprendre l’émergence de réseaux dits à l’état de repos. L’électroencéphalographie (EEG) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) montrent que les cerveaux sont actifs même lorsqu’ils ne sont pas engagés dans des activités spécifiques. Les simulations cérébrales expliquent que ces réseaux rythmiques émergent spontanément de l’interaction de grands groupes de cellules nerveuses via la substance blanche du cerveau.

À la recherche de modèles émergents

Le cerveau est composé en moyenne d’environ 86 milliards de cellules nerveuses et d’un billiard de connexions entre elles. Les cellules nerveuses et les connexions sont à leur tour constituées d’éléments encore plus petits, comme les canaux ioniques, avec une gamme de propriétés fonctionnelles. Simuler le cerveau à ce niveau nécessiterait la mesure de toutes les propriétés subtiles de ces composants.

Mais la puissance de traitement informatique est encore trop limitée pour effectuer ces calculs dans un délai pratique. Sur la plate-forme de simulation cérébrale (BSP) du HBP, les équipes travaillent avec des moteurs de simulation à différents niveaux d’abstraction – de la modélisation de petits volumes à un niveau de détail élevé, en passant par des simulations plus détaillées de la dynamique du cerveau. L’un de ces derniers est le cerveau virtuel: «Nous n’essayons donc pas de simuler avec précision le cerveau, mais plutôt de révéler les schémas à grande échelle qui résultent de l’interaction de ces éléments, comme ceux qui émergent dans une nuée d’oiseaux» déclare la professeure Petra Ritter qui dirige les travaux sur le projet de cerveau virtuel et qui le connecte à des simulateurs plus détaillés sur le BSP.

En divisant tout le cerveau en zones, les chercheurs formulent des théories vérifiables par modélisation informatique. Comme beaucoup de détails sont peu compris ou très vaguement spécifiés, ils utilisent l’imagerie cérébrale EEG et IRMf pour restreindre les modèles. Ces simulations permettent à l’équipe d’estimer la connectivité entre les zones cérébrales donnant des «connectomes» (forces d’interaction entre différentes zones cérébrales) et de prédire précisément l’activité cérébrale.

«Nous nous intéressons aux fonctions cognitives de haut niveau comme l’intelligence, la prise de décision, la mémoire et l’apprentissage, afin de déterminer la cause des déficiences et d’élaborer des stratégies d’amélioration», explique la professeure Ritter.

Entre autres découvertes, le projet a permis de mieux comprendre: la récupération après un AVC, la prédiction et la caractérisation des crises épileptiques, les progrès de la maladie d’Alzheimer et les implications fonctionnelles des tumeurs cérébrales.

Le cerveau virtuel est disponible en source libre gratuitement au téléchargement et même ouvert à la modification.

L’espoir de «l’humain virtuel»

Les troubles neurodégénératifs sont l’un des problèmes les plus pressants auxquels sont confrontées les sociétés modernes. Outre le fardeau individuel, avec les 14 millions de personnes en Europe atteintes de démence prévues en 2030, le coût devrait dépasser les 250 milliards d’euros dès cette année.

De plus, des troubles mentaux comme le trouble bipolaire, la schizophrénie, la dépression, l’anxiété, le SSPT, le TDAH, la consommation excessive d’alcool et de drogues affectent actuellement une personne sur six dans l’Union européenne et ce pourcentage augmente. Les coûts de soins de santé, de la sécurité sociale et de la baisse de l’emploi/de la productivité s’élèvent à 620 milliards d’euros par an. Les traitements existants pour ces affections reposent généralement sur des médicaments qui suppriment les symptômes plutôt que de guérir la maladie.

Bien que les mécanismes sous-jacents de ces troubles restent flous, les preuves suggèrent de plus en plus de connexions physiologiques systématiques et complexes, difficiles à étudier avec les seules méthodes expérimentales. «Avec la simulation complète du cerveau et, à l’avenir, la simulation du corps entier, nous comprendrons mieux le système humain dans son ensemble. Les “êtres humains virtuels” nous permettraient de développer des interventions personnalisées ciblant l’association de facteurs génétiques, métaboliques et neuronaux responsables de troubles cérébraux», conclut la professeure Ritter.

Pays

Suisse