Chaque cerveau possède sa propre empreinte

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Dimitri Van De Ville et Enrico Amico © Alain Herzog 2021 EPFL

Dimitri Van De Ville et Enrico Amico © Alain Herzog 2021 EPFL

Un chercheur de l’EPFL a identifié les signes de l’activité cérébrale qui constituent notre empreinte cérébrale, au même titre qu’une empreinte digitale.

« J’en rêve la nuit, j’y pense chaque jour. C’est toute ma vie depuis maintenant cinq ans. » Enrico Amico, collaborateur scientifique et SNF Ambizione Fellow au Centre de neuroprothèses et au Laboratoire de traitement d’images médicales de l’EPFL, évoque sa recherche sur le cerveau. Et plus précisément celle sur l’empreinte digitale de notre encéphale. Il a découvert que chaque individu possède sa propre empreinte cérébrale et que celle si peut évoluer dans le temps. Son étude est publiée dans la revue Sciences Advances.

« Le but de ma recherche est d’analyser et de comprendre les réseaux et les connexions dans le cerveau, notamment les liens entre ses différentes parties. Pour travailler là-dessus, nous utilisons des IRM qui mesurent l’activité cérébrale sur une période définie », explique le scientifique. Grâce aux données obtenues, les chercheurs se révèlent capables de produire un résumé de cette activité qui se traduit sous la forme d’un graphique représenté sous forme de matrices colorées. Ce type de technique de modélisation est connu dans les milieux scientifiques sous le nom de "neuroscience des réseaux" ou "connectomique du cerveau". « Tout est dans ces graphiques qui sont communément appelées "connectomes cérébraux fonctionnels". Le connectome est une carte des réseaux neuronaux. En l’observant, il est possible de déterminer ce que la personne est en train de faire durant son scanner. Si elle est inactive ou si elle exécute une tâche par exemple. Les connectomes changent en fonction de l’exercice cérébral et des régions sollicitées », résume Enrico Amico.

Deux scanners pour identifier un patient

Grâce à ce tableau, il a pu être établi que chaque cerveau possède sa propre empreinte, comme une empreinte de doigt. Pour arriver à ces conclusions, des scientifiques de l’université de Yale ont, il y a quelques années, étudié les connectomes issus de deux scanners différents d’un même sujet, réalisés à plusieurs jours d’intervalle. Sur la base des courbes, les chercheurs ont été capables de faire correspondre les deux scanners dans près de 95 % des cas et donc d’identifier la personne à partir de son empreinte cérébrale. « C’est vraiment impressionnant, car on ne se fonde pas sur une image du cerveau, mais uniquement sur les connectomes, qui sont essentiellement des ensembles de scores de corrélation », précise Enrico Amico.

Ce dernier a décidé d’aller plus loin. En effet, identifier l’empreinte cérébrale s’est toujours effectué sur la base d’IRM réalisées pendant plusieurs minutes. Mais est-ce que l’on aperçoit déjà l’empreinte cérébrale après quelques secondes de scanner - S’il y a un moment dans le temps où elle apparait, combien de temps dure-t-elle ? « Jusqu’à présent, nous étions capables de retrouver l’empreinte entre deux scanners différents, car la période d’analyse restait longue. Se manifeste-t-elle sur une image prise en 5 secondes par exemple - Où cela prend-il plus de temps - Et si les empreintes de différentes zones du cerveau apparaissaient à différents moments - Personne ne possédait les réponses à ces questions. Nous avons donc joué avec l’échelle de temps en la faisant varier », explique Enrico Amico.

Une empreinte dès 1min40s

En dessous de sept secondes, le chercheur n’a pas pu identifier des informations qui relèvent de l’empreinte cérébrale. Mais, dès 1 min 40 s, certaines données s’avèrent détectables. « On s’est rendu compte que l’on retrouve des indications de l’empreinte cérébrale sur des moments très courts. Nous n’avons donc pas besoin d’une IRM qui résume l’activité cérébrale sur 5 minutes par exemple. On peut se contenter d’un temps d’observation plus concis », remarque le scientifique. Ses analyses ont également permis de montrer que les informations détectées le plus rapidement proviennent des parties sensorielles du cerveau. Notamment celles liées aux mouvements des yeux, de la perception visuelle, de l’attention visuelle entre autres. Au fil du temps, les régions du cortex frontal, celles qui sont associées à des fonctions cognitives plus complexes, commencent également à révéler des informations uniques à chacun d’entre nous.

La prochaine étape de la recherche consiste à comparer les empreintes cérébrales de patients en bonne santé et de patients souffrant d’Alzheimer. « D’après mes premières investigations, il semblerait que toutes ces caractéristiques uniques qui composent l’empreinte cérébrale disparaissent avec la progression de la maladie. Cela devient de plus en plus difficile de reconnaitre le patient sur la base de leurs connectomes. C’est comme si une personne atteinte d’Alzheimer perdait son identité cérébrale », conclut Enrico Amico.

Dans cette optique, les applications potentielles pourraient inclure la détection précoce de maladies neurologiques où les empreintes cérébrales disparaissent. La technique d’Enrico Amico peut être utilisée chez des patients atteints d’autisme, ou d’accident vasculaire cérébral, ou même chez des sujets souffrant de toxicomanie. « Ce n’est qu’un petit pas de plus vers la compréhension de ce qui rend notre cerveau unique : les possibilités que cette découverte pourrait créer sont illimitées. »

La recherche d’Enrico Amico a été rendue possible grâce à une bourse Ambizione du FNS. « Ce programme unique en son genre a permis d’attirer en Suisse un jeune chercheur prometteur alors qu’il était post-doctorant à l’Université de Purdue, explique Dimitri Van De Ville, professeur et directeur du laboratoire de traitement des images médicales. Ambizione lui a permis de poursuivre indépendamment ses idées de recherche, mais aussi de choisir des collaborations fructueuses avec le laboratoire d’accueil. Il est gratifiant de voir ces objectifs atteints. »


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