Le mystère du contrôle neuronal du cerveau vient d’être résolu

Le cerveau est une merveille d’efficacité, affinée par des milliers d’années d’évolution pour s’adapter et prospérer dans un monde en constante évolution. Pourtant, malgré des décennies de recherche, le mystère de la façon dont le cerveau y parvient est resté insaisissable.

Notre nouvelle recherche, publiée dans la revue Cell, révèle comment les neurones – les cellules responsables de vos souvenirs d’enfance, de vos pensées et de vos émotions – coordonnent leur activité.

C’est un peu comme être un employé dans une entreprise performante. L’équilibre entre les compétences individuelles et le travail d’équipe est essentiel au succès, mais comment atteindre cet équilibre ?

Il s’avère que le secret du cerveau est étonnamment simple : ne consacrer pas plus de la moitié (et pas moins de 40 %) des efforts de chaque cellule aux tâches individuelles.

Où va le reste de l’effort ? Vers un travail d’équipe évolutif.

Et voici le truc : nous avons trouvé exactement la même structure organisationnelle dans les cerveaux de cinq espèces – des mouches des fruits et des nématodes aux poissons-zèbres, aux souris et aux singes.

Ces espèces proviennent de différentes branches de l’arbre de vie, séparées par plus d’un milliard d’années d’évolution, ce qui suggère que nous avons peut-être découvert un principe fondamental pour un traitement optimisé de l’information. Cela offre également de puissantes leçons pour tout système complexe aujourd’hui.

Le terrain d’entente critique

Notre découverte répond à un débat de longue date sur le cerveau : les neurones agissent-ils comme des joueurs vedettes (chacun hautement spécialisé et efficace) ou priorisent-ils le travail d’équipe (assurant le fonctionnement de l’ensemble du système même lorsque certains éléments défaillent) ?

Répondre à cette question a été difficile. Jusqu’à récemment, les outils de neuroscience étaient limités à l’enregistrement de l’activité de quelques cellules ou de plusieurs millions.

Ce serait comme essayer de comprendre une entreprise massive en interviewant une poignée d’employés ou en ne recevant que des résumés de haut niveau des départements. Le terrain d’entente critique manquait.

Cependant, grâce aux progrès de l’imagerie du calcium, nous pouvons désormais enregistrer les signaux de dizaines de milliers de cellules simultanément. L’imagerie du calcium est une méthode qui nous permet d’observer l’activité neuronale en temps réel en utilisant des capteurs fluorescents qui s’allument en fonction des niveaux de calcium dans la cellule.

En appliquant les connaissances de ma formation en physique pour analyser de vastes ensembles de données, nous avons découvert que l’activité cérébrale se déroule selon une hiérarchie fractale.

Les cellules travaillent ensemble pour construire des réseaux plus vastes et coordonnés, créant une organisation où chaque échelle reflète celles du dessus et du dessous.

Cette structure a répondu au débat : le cerveau fait en fait les deux. Il équilibre l’individualité et le travail d’équipe, et le fait de manière intelligente. Environ la moitié des efforts sont consacrés à la performance « personnelle » alors que les neurones collaborent au sein de réseaux de plus en plus vastes.

Le triangle de Sierpiński est un exemple de fractale, où le même motif se répète à des échelles infinies. (Beojan Stanislaus/Wikimedia Commons/CC BY SA)

Le cerveau peut s’adapter rapidement au changement

Pour tester si la structure du cerveau présentait des avantages uniques, nous avons effectué des simulations informatiques, révélant que cette hiérarchie fractale optimise le flux d’informations à travers le cerveau.

Il permet au cerveau de faire quelque chose de crucial : s’adapter au changement. Il garantit que le cerveau fonctionne efficacement, accomplissant des tâches avec un minimum de ressources tout en restant résilient en maintenant sa fonction même lorsque les neurones déclenchent des faux signaux.

Que vous naviguiez sur un terrain inconnu ou que vous réagissiez à une menace soudaine, votre cerveau traite et agit sur de nouvelles informations rapidement. Les neurones ajustent continuellement leur coordination, gardant le cerveau suffisamment stable pour une pensée profonde, mais suffisamment agile pour répondre à de nouveaux défis.

L’organisation multi-échelle que nous avons trouvée permet à différentes stratégies – ou « codes neuronaux » – de fonctionner à différentes échelles.

Par exemple, nous avons découvert que le mouvement du poisson-zèbre repose sur le travail en harmonie de nombreux neurones. Cette conception résiliente garantit que la nage se déroule sans heurts, même dans des environnements en évolution rapide.

En revanche, la vision de la souris s’adapte à l’échelle cellulaire, permettant la précision nécessaire pour extraire des détails fins d’une scène. Ici, si quelques neurones manquent des éléments clés d’information, toute la perception peut changer – comme lorsqu’une illusion d’optique trompe votre cerveau.

Arbre évolutif des espèces analysées dans notre étude, chacune affichant une organisation neuronale fractale qui équilibre efficacité et résilience. MYA : millions d’années ; BYA : milliards d’années. (Brandon Munn)

Nos résultats révèlent que cette coordination fractale de l’activité neuronale se produit sur une vaste étendue évolutive : des vertébrés, dont le dernier ancêtre commun a vécu il y a 450 millions d’années, aux invertébrés, datant d’un milliard d’années.

Cela suggère que les cerveaux ont évolué pour équilibrer efficacité et résilience, permettant un traitement optimisé de l’information et une adaptabilité aux nouvelles exigences comportementales. La persistance évolutive suggère que nous avons découvert un principe de conception fondamental.

Un principe fondamental ?

Ce sont des temps passionnants, alors que la physique et les neurosciences continuent d’interagir pour découvrir les lois universelles du cerveau, façonnées au fil des éons de sélection naturelle. Des travaux futurs seront nécessaires pour voir comment ces principes pourraient se manifester dans le cerveau humain.

Nos découvertes suggèrent également quelque chose de plus grand : cette simple règle de concentration individuelle et de travail d’équipe évolutif pourrait ne pas être seulement une solution pour le cerveau.

Lorsque les éléments sont organisés en réseaux hiérarchisés, les ressources peuvent être partagées efficacement et le système devient robuste face aux perturbations.

Les meilleures entreprises fonctionnent de la même manière – lorsqu’un nouveau défi se présente, les individus peuvent réagir sans attendre d’instructions de leur manager, leur permettant de résoudre le problème tout en restant soutenus par l’organisation rapidement.

Cela pourrait être un principe universel pour atteindre la résilience et l’efficacité dans les systèmes complexes.