La connectivité cérébrale dynamique distingue les états conscients et inconscients
Notre cerveau est remarquablement dynamique, passant constamment d’un état d’activité à l’autre qui reflètent nos pensées, nos perceptions et notre conscience. Une nouvelle étude publiée dans Biologie des communications suggère que ce dynamisme est essentiel pour faire la distinction entre conscience et inconscience. Les chercheurs ont découvert que le cerveau « explore » une gamme diversifiée de modèles de connectivité lorsque nous sommes éveillés, mais que pendant des états comme le sommeil profond ou l’anesthésie, le cerveau devient plus prévisible et rigide, son activité fonctionnelle correspondant plus étroitement à son câblage structurel.
La conscience – notre capacité à expérimenter, percevoir et réagir au monde – est depuis longtemps l’un des sujets les plus déroutants des neurosciences. Les chercheurs ont recherché des marqueurs fiables et objectifs pour distinguer les états conscients et inconscients, à la fois pour approfondir notre compréhension de la conscience et pour améliorer les outils cliniques de diagnostic et de gestion de conditions telles que le comas ou l’anesthésie.
La connectivité cérébrale peut être classée en deux types : de construction connectivité et fonctionnel connectivité. La connectivité structurelle fait référence au câblage physique du cerveau, aux réseaux fixes de neurones et aux voies qui forment son architecture. La connectivité fonctionnelle, quant à elle, reflète les schémas d’activité du cerveau, montrant comment différentes régions travaillent ensemble de manière dynamique à un moment donné.
Des recherches antérieures ont montré que la connectivité fonctionnelle du cerveau change constamment entre différentes configurations, reflétant divers processus cognitifs. La nouvelle étude visait à déterminer si les modèles changeants de connectivité fonctionnelle pouvaient différencier de manière fiable les états conscients et inconscients en se concentrant sur la dynamique cérébrale chez les personnes éveillées, sous anesthésie générale ou en sommeil profond.
« La conscience reste l’un des sujets les plus intrigants des neurosciences, quelque chose de profondément fondamental et pourtant pas entièrement compris », ont expliqué les auteurs de l’étude Alain Destexhe et Rodrigo Cofré, tous deux affiliés à l’Institut des neurosciences Paris-Saclay.
« Nous nous intéressons largement à l’ensemble des états de conscience, depuis les états inconscients jusqu’à ceux induits par les psychédéliques. Notre intérêt réside dans la compréhension des mécanismes fonctionnels dynamiques qui sous-tendent la conscience et dans la manière dont ils diffèrent lorsque la conscience est perturbée. L’IRM fonctionnelle au repos (IRMf) nous offre une manière unique d’observer le cerveau en action, nous permettant de capturer l’activité spontanée et ses transitions, qui peuvent refléter des processus plus profonds liés à la conscience.
Pour leur étude, les chercheurs ont analysé les données IRMf de deux ensembles de données. La première impliquait 16 participants en bonne santé scannés dans trois états : éveillé, sous anesthésie générale (en utilisant le médicament intraveineux propofol) et après la récupération. Le deuxième ensemble de données comprenait 18 participants en bonne santé analysés pendant l’éveil et le sommeil profond (stade N3).
L’analyse s’est concentrée sur la « cohérence des phases », qui mesure le degré de synchronisation des différentes régions du cerveau à un moment donné. Cette approche a permis aux chercheurs d’identifier des schémas récurrents d’activité cérébrale et de suivre leurs transitions au fil du temps. À l’aide de techniques de regroupement statistique, ces modèles ont été regroupés en catégories distinctes, ou « états », pour chaque condition. La fréquence et la répartition de ces états ont ensuite été analysées dans des conditions conscientes et inconscientes.
Pour caractériser la dynamique cérébrale, l’étude a utilisé deux mesures clés. L’entropie de Shannon a quantifié la diversité des modèles d’activité cérébrale, une entropie plus élevée indiquant un répertoire d’états plus large. Le couplage structure-fonction a évalué dans quelle mesure l’activité fonctionnelle du cerveau s’alignait sur son câblage physique, tel que déterminé par l’IRM structurelle. Les chercheurs ont également utilisé un modèle de chaîne de Markov pour évaluer la probabilité de transitions entre les états, fournissant ainsi des informations sur la stabilité et la flexibilité de la dynamique cérébrale dans diverses conditions.
Les résultats ont révélé des différences significatives dans la dynamique cérébrale entre les états conscient et inconscient. Pendant l’éveil, le cerveau présentait un répertoire diversifié et flexible de modèles d’activité, reflété par une entropie de Shannon élevée. Ces modèles dépendaient moins de la connectivité structurelle du cerveau, ce qui indique que le cerveau conscient explore les états indépendamment de son câblage physique. Les transitions fréquentes entre les états pendant l’éveil ont souligné la nature dynamique et adaptable du cerveau conscient.
En revanche, les états inconscients, tels que ceux induits par l’anesthésie générale ou le sommeil profond (N3), présentaient une diversité réduite des schémas d’activité cérébrale. L’entropie de Shannon était significativement plus faible, ce qui indique que le cerveau explorait une gamme d’états plus restreinte. De plus, l’activité fonctionnelle dans les états inconscients est étroitement liée à la connectivité structurelle du cerveau, ce qui suggère que le cerveau inconscient s’appuie davantage sur son câblage anatomique. Les transitions entre États étaient également moins fréquentes, reflétant une dynamique plus rigide et répétitive.
« En termes simples, les schémas d’activité de notre cerveau sont beaucoup plus dynamiques lorsque nous sommes éveillés et conscients », ont expliqué Destexhe et Cofré à PsyPost. « Ces riches modèles dynamiques de connectivité cérébrale semblent être essentiels à la conscience. Cependant, sous anesthésie ou en sommeil profond, le cerveau reste très actif mais s’appuie sur des schémas moins dynamiques, plus proches de la connectivité anatomique, et présente moins de transitions. Ces résultats nous rapprochent de l’identification d’indicateurs objectifs et fiables de la conscience, qui pourraient un jour nous aider à mieux comprendre et même suivre la conscience en milieu clinique.
Fait intéressant, les chercheurs ont observé que certains schémas d’activité généralement associés à l’inconscience apparaissaient parfois pendant l’éveil, et vice versa. Cette découverte suggère que la conscience peut exister sur un spectre, avec des caractéristiques qui se chevauchent entre les états de conscience et d’inconscience. Malgré ces chevauchements, les résultats globaux démontrent systématiquement qu’une activité cérébrale riche et dynamique est une caractéristique de la conscience.
« Nous avons été surpris par la robustesse et la généralisabilité de nos résultats », ont déclaré les chercheurs. « De plus, nous avons été surpris de constater que certains modèles de connectivité davantage associés à l’inconscience peuvent apparaître par petites rafales même lorsque nous sommes éveillés, et vice versa. Cela suggère que la conscience n’est pas nécessairement un état du tout ou rien ; il peut plutôt s’agir d’un spectre fluide avec des caractéristiques qui se chevauchent, soulevant des questions intrigantes sur les frontières entre les états de conscience et d’inconscience.
Comme toute recherche, l’étude comporte certaines limites. Les données provenaient de deux groupes de recherche différents utilisant des méthodes d’analyse et de prétraitement distinctes, ce qui pourrait avoir introduit de la variabilité. De plus, l’étude s’est concentrée sur un anesthésique et les effets d’autres médicaments sur la dynamique cérébrale restent inexplorés. Le sommeil profond, qui implique plus qu’une simple perte de conscience, peut également introduire des complexités qui ne sont pas entièrement abordées dans cette étude.
« Bien que notre méthode soit robuste et semble applicable à différents états tels que l’anesthésie générale et le sommeil profond, il existe encore des limites dans la manière dont les données sont collectées et prétraitées dans différentes études », ont expliqué Destexhe et Cofré. « Par exemple, les différences dans les paramètres d’acquisition des données et les techniques de prétraitement peuvent introduire une variabilité subtile. De plus, alors que nous étudiions les effets d’un anesthésique (propofol), d’autres médicaments peuvent avoir des effets différents sur la dynamique cérébrale.
Des recherches futures pourraient élargir ces découvertes en explorant d’autres états inconscients, tels que ceux induits par différents anesthésiques ou psychédéliques. L’utilisation de techniques alternatives d’imagerie cérébrale pourrait également fournir des informations complémentaires. À terme, l’objectif est de développer des marqueurs universels de conscience pouvant être appliqués dans divers contextes cliniques et de recherche.
« À long terme, nous espérons développer des marqueurs de conscience généralisables qui pourraient être utilisés dans divers scénarios cliniques, de la surveillance de l’anesthésie générale aux évaluations de la conscience chez les patients souffrant de lésions cérébrales », ont déclaré Destexhe et Cofré. « Nous souhaitons également explorer d’autres méthodes d’imagerie comme l’EEG, qui pourraient offrir des informations supplémentaires sur les états conscients et inconscients du cerveau. Nous aimerions également généraliser nos résultats aux états psychédéliques.
« Cette étude souligne le caractère central des schémas dynamiques du cerveau pour la conscience. Une compréhension plus approfondie de ces dynamiques est prometteuse non seulement pour faire progresser les connaissances scientifiques, mais également pour des applications médicales pratiques, telles que l’évaluation des états cérébraux chez les patients souffrant de traumatismes crâniens ou d’états comateux, ou pour surveiller la profondeur de l’anesthésie et les états altérés sous psychédéliques. En fin de compte, nous espérons que ce travail inspirera de nouvelles recherches pour étendre ces méthodes à d’autres espèces, à des anesthésiques alternatifs et à diverses techniques d’acquisition de données.
L’étude, « Les corrélations dynamiques structure-fonction fournissent des signatures robustes et généralisables de la conscience chez les humains», a été rédigé par Pablo Castro, Andrea Luppi, Enzo Tagliazucchi, Yonatan S. Perl, Lorina Naci, Adrian M. Owen, Jacobo D. Sitt, Alain Destexhe et Rodrigo Cofré.
