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Faire fonctionner l’interface cerveau-machine

Faire fonctionner l’interface cerveau-machine


Un patient paralysé qui remarche en contrôlant un exosquelette robotique par la force de sa pensée. Ce n’est pas de la science-fiction, c’est ce que l’on appelle une interface cerveau-machine ; c’est-à-dire un système qui établit une connexion entre le cerveau et un système automatisé sans nécessiter le moindre mouvement de la part de l’utilisateur.

François Hug
Professeur en sciences du mouvement humain, Directeur adjoint du Laboratoire Motricité Humaine Expertise Sport Santé (LAMHESS), Université Côte d’Azur

Simon Avrillon
Post-doctorant en neuroscience, Imperial College London

Le principe consiste à enregistrer les signaux électriques du cerveau puis à les décoder, c’est-à-dire à les associer à des mouvements. Ainsi, en détectant les intentions de mouvement, ces interfaces permettent à des patients de communiquer ou de contrôler des prothèses robotiques. Cependant, mesurer l’activité électrique du cerveau n’est pas facile. On peut utiliser des électrodes posées à la surface du crâne et ainsi obtenir un électroencéphalogramme (EEG). Seulement ces signaux sont souvent difficiles à décoder. Une alternative consiste à implanter des électrodes directement au contact des aires motrices du cerveau, ce qui nécessite une intervention chirurgicale.

Bien que les bénéfices attendus surpassent les risques encourus par la chirurgie, des solutions complémentaires sont actuellement à l’étude. Et de manière surprenante, ces solutions s’intéressent à un organe bien différent du cerveau : le muscle. Ces approches ont l’avantage d’être non invasives et pourraient avoir des applications dans la compréhension des mécanismes cérébraux impliqués dans la production du mouvement ou de manière plus pratique à permettre le contrôle de prothèse chez des personnes en situation de handicap ou qui ont subi une amputation.

Notre cerveau contrôle la plupart de nos mouvements en envoyant à nos muscles des messages nerveux sous forme d’impulsions électriques. Ces messages nerveux transitent notamment via des neurones dits moteurs – ou motoneurones spinaux – qui relient la moelle épinière aux fibres musculaires. Chaque motoneurone est connecté à plusieurs fibres musculaires (jusqu’à plusieurs milliers) et lorsqu’une impulsion électrique se propage le long d’un motoneurone, il conduit nécessairement à la formation d’une impulsion électrique sur chacune des fibres musculaires innervées. Ainsi, en plus de recevoir l’information sur la commande nerveuse du mouvement, le muscle agit comme un amplificateur de cette commande puisque chaque impulsion électrique est démultipliée par le nombre de fibres musculaires sur lesquelles elle se propage.

Depuis bientôt deux décennies, nous sommes capables de décoder l’activité électrique d’un muscle en utilisant une technique appelée électromyographie (EMG) haute densité, qui consiste à placer des dizaines, voire des centaines d’électrodes à la surface de la peau.

Schéma du principe de l’électromyographie (EMG) haute densité. Fourni par l’auteur
Combinés à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle, les signaux recueillis peuvent être décomposés afin d’isoler l’activité de plusieurs motoneurones, fournissant une information sur la commande émise par le cerveau et transitant par la moelle épinière. Ainsi, le motoneurone spinal est le seul neurone du corps humain dont l’activité électrique peut être mesurée de manière non invasive, c’est-à-dire sans franchir la barrière de la peau. De telles informations n’avaient été obtenues jusqu’alors qu’avec des électrodes implantées dans des muscles ou des nerfs.

En utilisant cette approche non invasive, une étude a récemment démontré qu’il est possible de décoder l’intention de mouvement d’un patient tétraplégique pour lui permettre de contrôler une main virtuelle. Malgré la lésion de la moelle épinière de ce patient qui altère fortement la transmission de l’information du cerveau vers les muscles de la main, ces chercheurs ont été capables de mesurer l’activité résiduelle de quelques motoneurones encore actifs. Bien qu’en nombre bien trop faible pour permettre un mouvement, ces motoneurones véhiculent toujours une commande nerveuse émanant principalement du cerveau, et donc une intention de mouvement. Ainsi, lorsque le patient essayait de fléchir son majeur, l’activité de quelques motoneurones était détectée par des électrodes posées sur son avant-bras, puis utilisée pour piloter une main virtuelle qui reproduisait une flexion du majeur. À terme, il devrait être envisageable de piloter des gants robotiques avec cette approche afin de retrouver en partie la fonction des mains.

Au-delà de permettre le développement d’interfaces cerveau-machine innovantes, la capacité à décoder l’activité de motoneurones permet de changer radicalement l’échelle à laquelle nous étudions le mouvement. L’approche classique considère que le mouvement est contrôlé à l’échelle du muscle. Par exemple, lorsque l’on souhaite réaliser une extension de la jambe, le cerveau spécifierait l’activité des muscles produisant cette action, notamment les quatre muscles qui composent le quadriceps (c.-à-d., les muscles situés sur le devant de la cuisse). Cette vision est remise en cause par les résultats d’une étude de notre équipe, impliquant des chercheurs de l’université Côte d’Azur et des chercheurs de l’Imperial College London.

Cette étude démontre que les commandes nerveuses sont distribuées à des groupes de motoneurones, et que ces groupes sont partiellement découplés des muscles. Ainsi, des motoneurones innervant deux muscles différents peuvent recevoir la même commande s’ils contribuent au même mouvement alors que deux motoneurones innervant le même muscle peuvent recevoir des commandes différentes s’ils contribuent à des actions différentes. En d’autres termes, notre cerveau spécifierait une commande pour des groupes de motoneurones, sans nécessairement se soucier des muscles. Cette organisation permettrait de simplifier le contrôle du mouvement (en transmettant la même commande à plusieurs motoneurones) tout en restant capable de réaliser un large répertoire de mouvements (en permettant notamment à certains muscles d’assurer plusieurs fonctions). Au delà de mieux décrire la production du mouvement, cette nouvelle théorie permet d’envisager l’augmentation des capacités humaines.

De la récupération à l’augmentation du mouvement, il n’y a qu’un bras
Bien que la capacité de décoder les intentions de mouvement offre des perspectives de restauration du mouvement pour de nombreux patients, elle permet également d’envisager l’augmentation du corps humain. Bien qu’effrayante et captivante à la fois, l’idée d’augmenter les capacités du corps humain avec des membres supplémentaires est au centre de plusieurs programmes de recherche.

Imaginez-vous en train d’écrire un mail tout en préparant un café grâce à un troisième bras. Bien que nous n’en soyons pas encore là, des chercheurs ont montré que nous sommes capables d’apprendre à utiliser un troisième pouce (robotique) en le contrôlant avec nos gros orteils. Mais attention, pour parler d’augmentation, il ne faut pas que l’utilisation d’un nouveau membre impacte les capacités de mouvement existantes. Par exemple, ce troisième pouce étant contrôlé par les mouvements des gros orteils, il est impossible de l’utiliser en marchant, et sans doute assez difficile de l’utiliser en étant debout.

Il est donc nécessaire de créer une nouvelle commande pour ce nouveau membre. C’est ici que la capacité d’identifier l’activité des motoneurones prend tout son sens. En effet, on pourrait imaginer qu’un individu puisse dissocier l’activité de motoneurones d’un même muscle du bras, de manière spontanée ou après avoir été entraîné à le faire. Ainsi, ces motoneurones transmettraient deux commandes différentes au lieu d’une seule : l’une pour le mouvement du bras et l’autre pour commander ce nouveau membre robotique.

En outre, des études récentes suggèrent que ces motoneurones transmettent bien plus d’information que nécessaire pour contrôler le mouvement ; ainsi des recherches en cours visent à exploiter ces informations non utilisées par nos muscles pour créer de nouvelles possibilités de commande.

Irons-nous jusqu’à nous représenter ce nouveau bras comme partie intégrante de notre corps ? Ou devrons-nous admettre que notre cerveau ne peut contrôler que deux bras et deux jambes ?

La musique bénéfique pour le cerveau

La musique bénéfique pour le cerveau

L ‘écoute et la pratique de la musique peuvent améliorer la qualité du fonctionnement de notre cerveau, et ralentir l’apparition de troubles cognitifs. « *On arrive à avoir un effet retard sur les symptômes, éventuellement d’une maladie neurodégénérative dont on est porteur. Lors de leur voyage vers les Kerguelen au début du siècle dernier, Raymond Rallier du Baty et son équipage ont abordé l’île Tristan Da Cuhna, alors peuplée de naufragés dont le contact avec la civilisation dépendait essentiellement de l’égarement de bateaux. Lorsque l’un des aventuriers eut l’idée de jouer de l’accordéon, il suscita des réactions inattendues de la part des insulaires. Ceux-ci, privés du son de tout instrument de musique, se mirent à danser frénétiquement lors d’un épisode décrit comme un joyeux délire par Rallier du Baty.

par
Loïc Damm
Postdoctoral Researcher, Université de Montpellier

Benoît Bardy
Professeur en Sciences du Mouvement, fondateur du centre EuroMov, membre de l’Institut Universitaire de France (IUF), Université de Montpellier dans the Conversation

Cet épisode rappelle que, plus qu’un élément culturel, la musique est inscrite en nous, littéralement. Et nous ignorons encore la portée réelle de son influence.

La musique nous incite au mouvement, et nous sommes capables d’accorder nos mouvements avec ses rythmes – une propension naturelle et universelle. L’élément rythmique le plus marquant que nous identifions et sur lequel nous calons nos mouvements est la pulsation (beat en anglais). La fréquence de la pulsation définit le tempo musical.

Tapoter, bouger en rythme ou bien sûr danser sont des activités qui semblent triviales, elles reposent pourtant sur une faculté essentielle : coordonner les mouvements de notre corps avec des rythmes auditifs réguliers et prédictibles. On parle de couplage entre perception et action.

Quand il s’agit d’accorder son mouvement au rythme de la musique, la précision temporelle est essentielle. Imaginez la chorégraphie d’un danseur : vous attendez une synchronisation entre musique et mouvement. En d’autres termes, fréquence du mouvement et tempo de la musique doivent converger.

Mais ce n’est suffisant. Pour que leur synchronisation soit parfaite, il faut aussi que musique et mouvement soient calés l’un sur l’autre : tout décalage étant immédiatement perceptible. Imaginez cette fois un musicien qui joue en retard par rapport à son orchestre…

Pour aligner nos mouvements aux pulsations musicales, nous devons percevoir précisément le rythme. Ça n’a en fait rien d’évident : la richesse des informations rythmiques d’une musique trompe encore les meilleurs algorithmes spécialisés… Et nous ne sommes pas tous égaux dans ce domaine, notre formation musicale notamment joue sur nos capacités de perception et de synchronisation.

Le déchiffrage des rythmes musicaux repose sur un vaste réseau de structures cérébrales étudiées en neuro-imagerie. Plusieurs régions réagissent, et interagissent, à la présence d’une pulsation : certaines habituellement classées comme étant à dominantes « sensorielles » (comme les aires corticales auditives du lobe temporal du cerveau), d’autres à dominantes « motrices » (comme les ganglions de la base ou les aires prémotrices et motrices du lobe frontal). Elles sont impliquées à la fois au cours de l’analyse et de la perception du rythme.

Des régions cérébrales dédiées à la perception du rythme et au mouvement sont capables d’interagir et de se renforcer. grayjay/Shutterstock
Mais elles sont également activées lorsqu’un mouvement est effectué en suivant un rythme auditif… comme lorsqu’il n’y a pas de mouvement, dans une tâche de perception simple.

La vision classique de la spécialisation des aires cérébrales, en l’occurrence sensorielles et motrices, tend donc à s’évanouir lorsqu’il s’agit de percevoir un rythme ou de bouger en réponse à celui-ci.

Le mouvement induit par des stimulations auditives est un cas de couplage sensori-moteur ou de perception-action. Il peut être décrit comme le renforcement des connexions entre des zones cérébrales distinctes, depuis celles qui extraient les caractéristiques temporelles des informations auditives jusqu’à celles qui mettent en œuvre les séquences de mouvement.

L’éventail des expressions du mouvement humain est plus large que ce qui est communément admis, et il est rythmique même en l’absence de stimulations auditives. Il s’étend en fait de la voix à la marche et la course, en passant par pratiquement toutes les formes de mouvements corporels les plus créatives.

Moins intuitive, la production de parole repose en effet sur l’activation de muscles qui font vibrer nos cordes vocales et en font émerger une signature rythmique ! Nous en prenons conscience pendant un discours monotone et soporifique…

La rythmicité la plus évidente reste celle de la locomotion, probablement l’activité physique rythmique la plus conservée parmi les animaux – Homo sapiens compris. Marcher consiste en une simple alternance de pas gauche et droit, par l’activation coordonnée des muscles de nos jambes.

De plus, l’anatomie de notre corps, la longueur de nos os ou la répartition de nos masses limitent la fréquence de nos mouvements, comme les caractéristiques d’un pendule déterminent l’intervalle du tic-tac d’une horloge. En biologie, les cycles, comme celui de la marche, sont maintenus dans le temps par une combinaison de mécanismes passifs (mécaniques) et actifs (musculaires).

Pour caler ce jeu délicat, la bonne coordination des muscles apparaît comme une fonction essentielle du tout système nerveux. La simple locomotion bipède, compte tenu du nombre de muscles impliqués, est une expression fascinante de leur maîtrise des rythmes. Cela est illustré par l’existence, chez les vertébrés, de réseaux de neurones (appelés réseaux locomoteurs spinaux) capables de produire des schémas d’activités musculaires, soit une activation coordonnée d’un ensemble de muscles : de tels schémas se traduisent par des mouvements structurés telle la marche.

Notre cerveau agit également comme un filtre entre les rythmes de notre corps et ceux de notre environnement.

Sa capacité à analyser un rythme musical et à en extraire la pulsation ouvre la possibilité d’utiliser cette dernière afin de fournir un point de repère à nos mouvements, en « l’injectant » dans les zones cérébrales impliquées.

Cependant, pour se frayer un chemin dans notre système (loco-)moteur, les stimulations externes doivent répondre à certains critères. Et là, mécanique et neurophysiologie ont leur mot à dire.

La stabilité de nos rythmes propres détermine en effet les conditions d’un éventuel entraînement locomoteur : un tempo musical ne pourra nous influencer que s’il est suffisamment proche de notre cadence de marche. Dans ce cas, et à condition qu’il existe une interaction entre la locomotion et la musique (par exemple de nature mécanique ou neurophysiologique), notre cadence va converger vers le tempo de la musique : nous sommes entraînés et la synchronisation se produit.

Si l’on considère le rythme de nos mouvements, notre cerveau montre une appétence naturelle pour un tempo autour de 120 battements par minute. Notre marche serait caractérisée par 70 à 130 pas par minute par exemple. Chez les rats, pourtant plus petits et marchant à une cadence plus élevée, ce sont là encore des stimulations auditives à 120 battements par minute qui sont le plus susceptibles d’avoir une influence. Le tempo optimal pour se synchroniser avec la musique pourrait donc dépendre de constantes neurobiologiques conservées à travers les espèces.

La prédilection des cerveaux, tant chez le rat que l’être humain, pour des rythmes se situant autour de 120 battements par minute laisse penser à une faculté cérébrale préservée par l’évolution.
Le naturaliste Charles Darwin affirmait déjà au XIXe siècle que « la perception, sinon le plaisir, du tempo musical et du rythme est probablement commun à tous les animaux, et dépend sans aucun doute de la nature physiologique commune de leurs systèmes nerveux ». Que les mécanismes associés à sa perception puissent avoir été conservés au cours de l’évolution s’accorde bien à l’idée que le rythme, tout comme il est un aspect fondamental de la construction musicale, serait un principe d’organisation fonctionnelle du cerveau.

Ainsi, si notre espèce est capable d’une synchronisation prédictive volontaire unique aux rythmes, chez les rongeurs existe déjà une faculté de synchronisation spontanée qui pourrait en constituer un précurseur évolutif, moins poussé, certes, mais déjà présent. Sans cette faculté, nous ne serions pas capables de produire ces airs qui nous parlent si viscéralement.

L’association des neurosciences et des sciences du mouvement a permis récemment de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau sous l’influence de stimulations musicales. On l’a vu, ces dernières activent des régions cérébrales associées au mouvement, qui contribuent en retour à leur perception : notre capacité à analyser des rythmes musicaux est ainsi renforcée par le mouvement : un couplage entre la perception et l’action qui nous permet d’interagir au mieux avec notre environnement. Et nous sommes même capables d’extraire les pulsations musicales, unité de base du rythme, des sons reçus afin d’utiliser la musique pour entraîner notre mouvement en nous synchronisant à elle.

On commence seulement à comprendre l’omniprésence de ces phénomènes de synchronisation dans notre quotidien – lorsque nous applaudissons à l’unisson à la fin d’un spectacle ou que nous calons spontanément notre pas sur celui des personnes qui nous entourent dans une foule… Il revient à la science d’en objectiver les influences, comme pour la musique… Les champs d’études relatifs aux interactions sociales, à la cognition et bien d’autres encore, sont loin d’être épuisés !

Sciences- évolutions cognitives et taille du cerveau

Sciences- évolutions cognitives et taille du cerveau

Tesla Monson, professeure d’anthropologie à l’Université Western Washington, explique depuis combien de temps les humains ont de si gros cerveaux. Un phénomène qui s’accompagne, selon elle, de nombreuses capacités cognitives.

Les fossiles nous racontent ce que les êtres humains et nos prédécesseurs faisaient il y a des centaines de milliers d’années. Mais certaines étapes importantes du cycle de la vie, comme la grossesse ou la gestation, ne laissent aucune trace dans les archives fossiles. Comment les étudier ? Une des caractéristiques de notre espèce est d’avoir des cerveaux de taille importante par rapport à la taille totale du corps, ce qui rend la grossesse particulièrement intéressante pour les paléoanthropologues. Mais alors que les crânes imposants d’Homo sapiens contribuent aux difficultés de l’accouchement, ce sont les cerveaux logés à l’intérieur qui ont permis à notre espèce de prendre son envol.

Mes collègues et moi voulons comprendre le développement du cerveau de nos ancêtres avant la naissance : était-il comparable à celui des fœtus aujourd’hui ? En étudiant quand la croissance prénatale et la grossesse sont devenues « humaines », on comprend mieux quand et comment le cerveau de nos ancêtres est devenu plus similaire au nôtre qu’à ceux de nos proches cousins les singes.

Nous avons étudié l’évolution des taux de croissance prénatale en regardant le développement in utero des dents, qui, elles, fossilisent. Grâce à un modèle mathématique des longueurs relatives des molaires, construit pour l’occasion, nous pouvons suivre les changements évolutifs des taux de croissance prénatale dans les archives fossiles.
D’après notre modèle, il semblerait que la grossesse et la croissance prénatale soient devenues plus proches de l’humain que du chimpanzé il y a près d’un million d’années.

La grossesse et la gestation sont des périodes importantes – elles guident la croissance ultérieure et orientent le cours biologique de la vie.
La suite après cette publicité

Mais la grossesse humaine, en particulier le travail et l’accouchement, coûte beaucoup d’énergie et est souvent dangereuse. Le cerveau du fœtus a besoin de beaucoup de nutriments pendant son développement et le taux de croissance de l’embryon pendant la gestation, également appelé « taux de croissance prénatale », impose un lourd tribut métabolique et physiologique au parent en gestation. De plus, le passage délicat de la tête et des épaules du nourrisson à travers le canal pelvien pendant l’accouchement peut entraîner la mort, tant de la mère que de l’enfant.

En contrepartie de ces inconvénients évolutifs, il faut une très bonne raison d’avoir une tête aussi grosse. Le gros cerveau caractéristique de l’espèce humaine s’accompagne de nombreuses capacités cognitives, et l’évolution du cerveau a contribué à la domination de notre espèce : elle est notamment associée à une utilisation accrue d’outils, à la création d’œuvres d’art et à la capacité de survivre dans des environnements variés. L’évolution de nos cerveaux est aussi entremêlée avec nos capacités à trouver et exploiter davantage de ressources, avec des outils et en coopérant par exemple.

Les changements dans la croissance prénatale nous renseignent également sur les façons dont les parents rassemblaient les ressources alimentaires et les distribuaient à leur progéniture. Ces ressources croissantes auraient contribué à l’évolution d’un cerveau encore plus gros. En comprenant mieux à quel moment la croissance prénatale et la grossesse sont devenues « humaines », on peut savoir quand et comment notre cerveau a évolué lui aussi.

L’homme a le taux de croissance prénatale le plus élevé de tous les primates vivant aujourd’hui, soit 11,58 grammes par jour. Les gorilles, par exemple, ont une taille adulte beaucoup plus grande que celle des humains, mais leur taux de croissance prénatale n’est que de 8,16 grammes par jour. Étant donné que plus d’un quart de la croissance du cerveau humain s’effectue pendant la gestation, le taux de croissance prénatale est directement lié à la taille du cerveau adulte. Quand et comment le taux de croissance prénatale de Homo sapiens a évolué est resté un mystère jusqu’à présent.
Ce que les dents révèlent de la croissance prénatale

Les chercheurs étudient depuis des siècles les restes de squelettes fossilisés, mais malheureusement, les cerveaux ne fossilisent pas – et encore moins la gestation et le taux de croissance prénatale.

Mes collègues et moi réfléchissons à la façon dont les dents se développent, très tôt dans l’utérus. Les dents permanentes commencent à se développer bien avant la naissance, vers 20 semaines de gestation. L’émail des dents est inorganique à plus de 95 %, et la majorité des fossiles de vertébrés est constituée de dents ou en possède. Partant de ce constat, nous avons décidé d’étudier la relation entre le taux de croissance prénatale, la taille du cerveau et la longueur des dents.

Nous avons mesuré les dents de 608 primates contemporains provenant de collections de squelettes du monde entier et les avons comparées aux taux de croissance prénatale calculés à partir de la durée moyenne de gestation et de la masse à la naissance pour chaque espèce. Comme indicateur de la taille du cerveau, nous utilisons le volume endocrânien (l’espace à l’intérieur du crâne). Nous avons constaté que le taux de croissance prénatale présente une corrélation significative avec la taille du cerveau adulte et la longueur relative des dents chez les singes et les grands singes.
Cette relation statistique a permis de générer une équation mathématique qui prédit le taux de croissance prénatale à partir de la taille des dents. Avec cette équation, nous pouvons prendre quelques dents molaires d’une espèce fossile éteinte et reconstituer exactement la vitesse de croissance de leur progéniture pendant la gestation.

En utilisant cette nouvelle méthode, nous avons pu reconstituer les taux de croissance prénatale pour treize espèces fossiles, construisant ainsi une chronologie des changements survenus au cours des six derniers millions d’années d’évolution des humains et des hominidés (le terme « hominidé » désigne toutes les espèces, Australopithecus entre autres, appartenant à la lignée « humaine » depuis sa séparation avec celle des chimpanzés, il y a environ 6 à 8 millions d’années). Grâce à ces recherches, nous savons maintenant que le taux de croissance prénatale a augmenté tout au long de l’évolution des hominidés, pour atteindre il y a moins d’un million d’années un taux semblable à celui des humains – qui dépasse celui observé chez tous les autres singes.
Un taux de croissance prénatale totalement similaire à celui des humains est apparu seulement avec l’évolution de notre espèce Homo sapiens, il y a 200 000 ans environ. Mais d’autres espèces d’hominidés vivant au cours des 200 000 dernières années, comme les Néandertaliens, avaient également des taux de croissance prénatale du même ordre de grandeur. Il reste à déterminer quels gènes ont été impliqués dans ces changements de taux de croissance.

Avec seulement quelques dents et une partie de la mâchoire, un expert chevronné peut en apprendre beaucoup sur un individu disparu : de quelle espèce il s’agissait, ce qu’il mangeait, s’il se battait pour obtenir des partenaires, à quel âge il est mort, s’il avait des problèmes de santé, et bien plus encore. Nous pouvons maintenant ajouter à cette liste le fait de savoir à quoi ressemblaient la grossesse et la gestation pour cette espèce. Les dents pourraient aussi refléter indirectement l’émergence de la conscience humaine, via l’évolution de la taille du cerveau.
Le modèle suggère que les taux de croissance prénatale ont commencé à augmenter bien avant l’émergence de notre espèce, Homo sapiens. On peut supposer qu’un taux de croissance prénatale rapide a été nécessaire à l’apparition d’un cerveau imposant et à l’évolution de la conscience et des capacités cognitives humaines. Voilà le genre de questions que nos recherches nous permettent dorénavant de formuler… à partir de quelques dents.

Cet article est republié à partir de The Conversation ..

Sciences-Taille du cerveau et évolutions cognitives

Sciences- Taille du cerveau humain et évolutions cognitives

Tesla Monson, professeure d’anthropologie à l’Université Western Washington, explique depuis combien de temps les humains ont de si gros cerveaux. Un phénomène qui s’accompagne, selon elle, de nombreuses capacités cognitives.

Les fossiles nous racontent ce que les êtres humains et nos prédécesseurs faisaient il y a des centaines de milliers d’années. Mais certaines étapes importantes du cycle de la vie, comme la grossesse ou la gestation, ne laissent aucune trace dans les archives fossiles. Comment les étudier ? Une des caractéristiques de notre espèce est d’avoir des cerveaux de taille importante par rapport à la taille totale du corps, ce qui rend la grossesse particulièrement intéressante pour les paléoanthropologues. Mais alors que les crânes imposants d’Homo sapiens contribuent aux difficultés de l’accouchement, ce sont les cerveaux logés à l’intérieur qui ont permis à notre espèce de prendre son envol.

Mes collègues et moi voulons comprendre le développement du cerveau de nos ancêtres avant la naissance : était-il comparable à celui des fœtus aujourd’hui ? En étudiant quand la croissance prénatale et la grossesse sont devenues « humaines », on comprend mieux quand et comment le cerveau de nos ancêtres est devenu plus similaire au nôtre qu’à ceux de nos proches cousins les singes.

Nous avons étudié l’évolution des taux de croissance prénatale en regardant le développement in utero des dents, qui, elles, fossilisent. Grâce à un modèle mathématique des longueurs relatives des molaires, construit pour l’occasion, nous pouvons suivre les changements évolutifs des taux de croissance prénatale dans les archives fossiles.
D’après notre modèle, il semblerait que la grossesse et la croissance prénatale soient devenues plus proches de l’humain que du chimpanzé il y a près d’un million d’années.

La grossesse et la gestation sont des périodes importantes – elles guident la croissance ultérieure et orientent le cours biologique de la vie.
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Mais la grossesse humaine, en particulier le travail et l’accouchement, coûte beaucoup d’énergie et est souvent dangereuse. Le cerveau du fœtus a besoin de beaucoup de nutriments pendant son développement et le taux de croissance de l’embryon pendant la gestation, également appelé « taux de croissance prénatale », impose un lourd tribut métabolique et physiologique au parent en gestation. De plus, le passage délicat de la tête et des épaules du nourrisson à travers le canal pelvien pendant l’accouchement peut entraîner la mort, tant de la mère que de l’enfant.

En contrepartie de ces inconvénients évolutifs, il faut une très bonne raison d’avoir une tête aussi grosse. Le gros cerveau caractéristique de l’espèce humaine s’accompagne de nombreuses capacités cognitives, et l’évolution du cerveau a contribué à la domination de notre espèce : elle est notamment associée à une utilisation accrue d’outils, à la création d’œuvres d’art et à la capacité de survivre dans des environnements variés. L’évolution de nos cerveaux est aussi entremêlée avec nos capacités à trouver et exploiter davantage de ressources, avec des outils et en coopérant par exemple.

Les changements dans la croissance prénatale nous renseignent également sur les façons dont les parents rassemblaient les ressources alimentaires et les distribuaient à leur progéniture. Ces ressources croissantes auraient contribué à l’évolution d’un cerveau encore plus gros. En comprenant mieux à quel moment la croissance prénatale et la grossesse sont devenues « humaines », on peut savoir quand et comment notre cerveau a évolué lui aussi.

L’homme a le taux de croissance prénatale le plus élevé de tous les primates vivant aujourd’hui, soit 11,58 grammes par jour. Les gorilles, par exemple, ont une taille adulte beaucoup plus grande que celle des humains, mais leur taux de croissance prénatale n’est que de 8,16 grammes par jour. Étant donné que plus d’un quart de la croissance du cerveau humain s’effectue pendant la gestation, le taux de croissance prénatale est directement lié à la taille du cerveau adulte. Quand et comment le taux de croissance prénatale de Homo sapiens a évolué est resté un mystère jusqu’à présent.
Ce que les dents révèlent de la croissance prénatale

Les chercheurs étudient depuis des siècles les restes de squelettes fossilisés, mais malheureusement, les cerveaux ne fossilisent pas – et encore moins la gestation et le taux de croissance prénatale.

Mes collègues et moi réfléchissons à la façon dont les dents se développent, très tôt dans l’utérus. Les dents permanentes commencent à se développer bien avant la naissance, vers 20 semaines de gestation. L’émail des dents est inorganique à plus de 95 %, et la majorité des fossiles de vertébrés est constituée de dents ou en possède. Partant de ce constat, nous avons décidé d’étudier la relation entre le taux de croissance prénatale, la taille du cerveau et la longueur des dents.

Nous avons mesuré les dents de 608 primates contemporains provenant de collections de squelettes du monde entier et les avons comparées aux taux de croissance prénatale calculés à partir de la durée moyenne de gestation et de la masse à la naissance pour chaque espèce. Comme indicateur de la taille du cerveau, nous utilisons le volume endocrânien (l’espace à l’intérieur du crâne). Nous avons constaté que le taux de croissance prénatale présente une corrélation significative avec la taille du cerveau adulte et la longueur relative des dents chez les singes et les grands singes.
Cette relation statistique a permis de générer une équation mathématique qui prédit le taux de croissance prénatale à partir de la taille des dents. Avec cette équation, nous pouvons prendre quelques dents molaires d’une espèce fossile éteinte et reconstituer exactement la vitesse de croissance de leur progéniture pendant la gestation.

En utilisant cette nouvelle méthode, nous avons pu reconstituer les taux de croissance prénatale pour treize espèces fossiles, construisant ainsi une chronologie des changements survenus au cours des six derniers millions d’années d’évolution des humains et des hominidés (le terme « hominidé » désigne toutes les espèces, Australopithecus entre autres, appartenant à la lignée « humaine » depuis sa séparation avec celle des chimpanzés, il y a environ 6 à 8 millions d’années). Grâce à ces recherches, nous savons maintenant que le taux de croissance prénatale a augmenté tout au long de l’évolution des hominidés, pour atteindre il y a moins d’un million d’années un taux semblable à celui des humains – qui dépasse celui observé chez tous les autres singes.
Un taux de croissance prénatale totalement similaire à celui des humains est apparu seulement avec l’évolution de notre espèce Homo sapiens, il y a 200 000 ans environ. Mais d’autres espèces d’hominidés vivant au cours des 200 000 dernières années, comme les Néandertaliens, avaient également des taux de croissance prénatale du même ordre de grandeur. Il reste à déterminer quels gènes ont été impliqués dans ces changements de taux de croissance.

Avec seulement quelques dents et une partie de la mâchoire, un expert chevronné peut en apprendre beaucoup sur un individu disparu : de quelle espèce il s’agissait, ce qu’il mangeait, s’il se battait pour obtenir des partenaires, à quel âge il est mort, s’il avait des problèmes de santé, et bien plus encore. Nous pouvons maintenant ajouter à cette liste le fait de savoir à quoi ressemblaient la grossesse et la gestation pour cette espèce. Les dents pourraient aussi refléter indirectement l’émergence de la conscience humaine, via l’évolution de la taille du cerveau.
Le modèle suggère que les taux de croissance prénatale ont commencé à augmenter bien avant l’émergence de notre espèce, Homo sapiens. On peut supposer qu’un taux de croissance prénatale rapide a été nécessaire à l’apparition d’un cerveau imposant et à l’évolution de la conscience et des capacités cognitives humaines. Voilà le genre de questions que nos recherches nous permettent dorénavant de formuler… à partir de quelques dents.

Cet article est republié à partir de The Conversation ..

Taille du cerveau humain et évolutions cognitives

Taille du cerveau humain et évolutions cognitives

Tesla Monson, professeure d’anthropologie à l’Université Western Washington, explique depuis combien de temps les humains ont de si gros cerveaux. Un phénomène qui s’accompagne, selon elle, de nombreuses capacités cognitives.

Les fossiles nous racontent ce que les êtres humains et nos prédécesseurs faisaient il y a des centaines de milliers d’années. Mais certaines étapes importantes du cycle de la vie, comme la grossesse ou la gestation, ne laissent aucune trace dans les archives fossiles. Comment les étudier ? Une des caractéristiques de notre espèce est d’avoir des cerveaux de taille importante par rapport à la taille totale du corps, ce qui rend la grossesse particulièrement intéressante pour les paléoanthropologues. Mais alors que les crânes imposants d’Homo sapiens contribuent aux difficultés de l’accouchement, ce sont les cerveaux logés à l’intérieur qui ont permis à notre espèce de prendre son envol.

Mes collègues et moi voulons comprendre le développement du cerveau de nos ancêtres avant la naissance : était-il comparable à celui des fœtus aujourd’hui ? En étudiant quand la croissance prénatale et la grossesse sont devenues « humaines », on comprend mieux quand et comment le cerveau de nos ancêtres est devenu plus similaire au nôtre qu’à ceux de nos proches cousins les singes.

Nous avons étudié l’évolution des taux de croissance prénatale en regardant le développement in utero des dents, qui, elles, fossilisent. Grâce à un modèle mathématique des longueurs relatives des molaires, construit pour l’occasion, nous pouvons suivre les changements évolutifs des taux de croissance prénatale dans les archives fossiles.
D’après notre modèle, il semblerait que la grossesse et la croissance prénatale soient devenues plus proches de l’humain que du chimpanzé il y a près d’un million d’années.

La grossesse et la gestation sont des périodes importantes – elles guident la croissance ultérieure et orientent le cours biologique de la vie.
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Mais la grossesse humaine, en particulier le travail et l’accouchement, coûte beaucoup d’énergie et est souvent dangereuse. Le cerveau du fœtus a besoin de beaucoup de nutriments pendant son développement et le taux de croissance de l’embryon pendant la gestation, également appelé « taux de croissance prénatale », impose un lourd tribut métabolique et physiologique au parent en gestation. De plus, le passage délicat de la tête et des épaules du nourrisson à travers le canal pelvien pendant l’accouchement peut entraîner la mort, tant de la mère que de l’enfant.

En contrepartie de ces inconvénients évolutifs, il faut une très bonne raison d’avoir une tête aussi grosse. Le gros cerveau caractéristique de l’espèce humaine s’accompagne de nombreuses capacités cognitives, et l’évolution du cerveau a contribué à la domination de notre espèce : elle est notamment associée à une utilisation accrue d’outils, à la création d’œuvres d’art et à la capacité de survivre dans des environnements variés. L’évolution de nos cerveaux est aussi entremêlée avec nos capacités à trouver et exploiter davantage de ressources, avec des outils et en coopérant par exemple.

Les changements dans la croissance prénatale nous renseignent également sur les façons dont les parents rassemblaient les ressources alimentaires et les distribuaient à leur progéniture. Ces ressources croissantes auraient contribué à l’évolution d’un cerveau encore plus gros. En comprenant mieux à quel moment la croissance prénatale et la grossesse sont devenues « humaines », on peut savoir quand et comment notre cerveau a évolué lui aussi.

L’homme a le taux de croissance prénatale le plus élevé de tous les primates vivant aujourd’hui, soit 11,58 grammes par jour. Les gorilles, par exemple, ont une taille adulte beaucoup plus grande que celle des humains, mais leur taux de croissance prénatale n’est que de 8,16 grammes par jour. Étant donné que plus d’un quart de la croissance du cerveau humain s’effectue pendant la gestation, le taux de croissance prénatale est directement lié à la taille du cerveau adulte. Quand et comment le taux de croissance prénatale de Homo sapiens a évolué est resté un mystère jusqu’à présent.
Ce que les dents révèlent de la croissance prénatale

Les chercheurs étudient depuis des siècles les restes de squelettes fossilisés, mais malheureusement, les cerveaux ne fossilisent pas – et encore moins la gestation et le taux de croissance prénatale.

Mes collègues et moi réfléchissons à la façon dont les dents se développent, très tôt dans l’utérus. Les dents permanentes commencent à se développer bien avant la naissance, vers 20 semaines de gestation. L’émail des dents est inorganique à plus de 95 %, et la majorité des fossiles de vertébrés est constituée de dents ou en possède. Partant de ce constat, nous avons décidé d’étudier la relation entre le taux de croissance prénatale, la taille du cerveau et la longueur des dents.

Nous avons mesuré les dents de 608 primates contemporains provenant de collections de squelettes du monde entier et les avons comparées aux taux de croissance prénatale calculés à partir de la durée moyenne de gestation et de la masse à la naissance pour chaque espèce. Comme indicateur de la taille du cerveau, nous utilisons le volume endocrânien (l’espace à l’intérieur du crâne). Nous avons constaté que le taux de croissance prénatale présente une corrélation significative avec la taille du cerveau adulte et la longueur relative des dents chez les singes et les grands singes.
Cette relation statistique a permis de générer une équation mathématique qui prédit le taux de croissance prénatale à partir de la taille des dents. Avec cette équation, nous pouvons prendre quelques dents molaires d’une espèce fossile éteinte et reconstituer exactement la vitesse de croissance de leur progéniture pendant la gestation.

En utilisant cette nouvelle méthode, nous avons pu reconstituer les taux de croissance prénatale pour treize espèces fossiles, construisant ainsi une chronologie des changements survenus au cours des six derniers millions d’années d’évolution des humains et des hominidés (le terme « hominidé » désigne toutes les espèces, Australopithecus entre autres, appartenant à la lignée « humaine » depuis sa séparation avec celle des chimpanzés, il y a environ 6 à 8 millions d’années). Grâce à ces recherches, nous savons maintenant que le taux de croissance prénatale a augmenté tout au long de l’évolution des hominidés, pour atteindre il y a moins d’un million d’années un taux semblable à celui des humains – qui dépasse celui observé chez tous les autres singes.
Un taux de croissance prénatale totalement similaire à celui des humains est apparu seulement avec l’évolution de notre espèce Homo sapiens, il y a 200 000 ans environ. Mais d’autres espèces d’hominidés vivant au cours des 200 000 dernières années, comme les Néandertaliens, avaient également des taux de croissance prénatale du même ordre de grandeur. Il reste à déterminer quels gènes ont été impliqués dans ces changements de taux de croissance.

Avec seulement quelques dents et une partie de la mâchoire, un expert chevronné peut en apprendre beaucoup sur un individu disparu : de quelle espèce il s’agissait, ce qu’il mangeait, s’il se battait pour obtenir des partenaires, à quel âge il est mort, s’il avait des problèmes de santé, et bien plus encore. Nous pouvons maintenant ajouter à cette liste le fait de savoir à quoi ressemblaient la grossesse et la gestation pour cette espèce. Les dents pourraient aussi refléter indirectement l’émergence de la conscience humaine, via l’évolution de la taille du cerveau.
Le modèle suggère que les taux de croissance prénatale ont commencé à augmenter bien avant l’émergence de notre espèce, Homo sapiens. On peut supposer qu’un taux de croissance prénatale rapide a été nécessaire à l’apparition d’un cerveau imposant et à l’évolution de la conscience et des capacités cognitives humaines. Voilà le genre de questions que nos recherches nous permettent dorénavant de formuler… à partir de quelques dents.

Cet article est republié à partir de The Conversation ..

Science- Comment le cerveau construit sa réalité

Science- Comment le cerveau construit sa réalité

Contrairement à ce qu’on a longtemps supposé, notre représentation du monde n’est pas le fruit de l’empreinte que laisseraient les stimuli extérieurs sur l’activité de nos neurones. Ceux-ci sont en fait le siège d’activités spontanées, construisant une représentation interne du monde, sans cesse comparée à nos actions et perceptions.

Lorsque j’étais professeur, j’enseignais à mes étudiants comment notre cerveau perçoit le monde et contrôle le corps. Le message en substance était que lorsque nous regardons quelque chose ou que nous entendons un son, les stimuli visuels et auditifs sont convertis en signaux électriques, puis transmis au cortex sensoriel qui traite ces entrées et donne lieu à des perceptions. Pour déclencher un mouvement, les neurones du cortex moteur envoient des instructions à des neurones intermédiaires, situés dans la moelle épinière, ce qui se traduit par une contraction musculaire.

J’ai commencé mes recherches sans véritablement me demander si cette manière très simple de considérer les liens entre le cerveau et le monde extérieur était fondée. Cependant, malgré la succession des grandes découvertes qui ont donné naissance, à partir des années 1960, au domaine des « neurosciences », j’ai régulièrement dû faire face à la difficulté d’expliquer des mécanismes qu’au fond je ne comprenais pas – comme répondre à la question « où, exactement, dans le cerveau, a lieu l’acte de percevoir ? ». C’est pour répondre à ce genre d’interrogations que j’ai peu à peu développé une autre vision de la façon dont le cerveau interagit avec le monde extérieur.

Le plus grand défi des neurosciences consiste essentiellement à répondre à une question vertigineuse : qu’est-ce que l’esprit ? Du temps d’Aristote, les penseurs supposaient que l’esprit naissait vierge et se formait à partir des seules expériences de la vie. Un peu à l’image d’un tableau noir dépourvu d’inscriptions (que l’on appela tabula rasa, ou « table rase »), sur lequel nos expériences se graveraient peu à peu.

Ce cadre théorique, qualifié de modèle outside-in (les informations de l’extérieur modèlent le cerveau), a non seulement imprégné les philosophies chrétienne et perse, l’empirisme britannique et la doctrine marxiste mais également la psychologie et les sciences cognitives. Il est réputé aujourd’hui encore d’expliquer comment notre cerveau nous donne accès à la réalité.

Mais il existe un autre point de vue – celui qui a guidé mes recherches – qui affirme que les réseaux cérébraux entretiennent leur propre dynamique interne et produisent continuellement une myriade de motifs d’activité neuronale a priori dépourvus de sens. L’accès à la réalité est alors tout à fait différent : c’est parce qu’un comportement – a priori aléatoire – se révèle présenter un avantage pour la survie de l’organisme que le schéma neuronal ayant conduit à cette action prend alors du sens. Par exemple, lorsqu’un nourrisson prononce le mot « te-te » et que ses parents lui tendent un ours en peluche, le son « te-te » acquiert la signification « ours en peluche » [teddy bear, ndlr]. Ce cadre théorique inversé, « inside-out », qui part du principe que le cerveau n’est pas une table rase, est désormais étayé par de nombreux résultats de recherche.

Cela n’empêche pas le cadre « outside-in » d’avoir inspiré des expériences remarquables, comme les découvertes des scientifiques David Hubel et Torsten Wiesel. Ceux-ci sont parvenus, dans les années 1960, à enregistrer l’activité de neurones individuels impliqués dans le système visuel, ce qui leur a valu le prix Nobel de physiologie en 1981. Dans leurs plus célèbres expériences, ils ont enregistré l’activité neuronale d’animaux auxquels ils montraient des images. Les lignes, les bords, les zones claires ou sombres provoquaient des décharges dans différents groupes de neurones. Cela a conduit les chercheurs à penser que les signaux extérieurs amènent les neurones à produire des schémas d’activité simples, dont la combinaison, formant des modèles plus complexes, aboutit à la représentation d’un objet. Aucune participation active n’est nécessaire. Le cerveau effectue automatiquement cet exercice.

Le cadre théorique « outside-in » suppose ici que la fonction fondamentale du cerveau est de percevoir les « signaux » du monde extérieur et de les interpréter correctement. Sauf que si cette hypothèse est vraie, une opération supplémentaire est nécessaire pour que le cerveau réponde aux signaux en questions. En effet, entre les entrées perceptuelles et ce qu’en fait le sujet, il faut supposer l’existence d’une sorte de processeur central, qui reçoit les représentations sensorielles de l’environnement et en extrait les décisions orientant les actions appropriées.

Mais quelle est la nature de ce processeur central ? On le désigne sous de multiples termes : libre arbitre, homoncule, décideur, fonction exécutive, variables intervenantes ou tout simplement « boîte noire ». Cependant, la terminologie utilisée dépend à la fois de l’inclination philosophique de l’expérimentateur et de ce qui abrite ce « processeur ».

Science- Comment le cerveau construit sa réalité dans actu-économie politique

Les participants à Nuit Debout «n’ont rien dans le cerveau» (Sarkozy)

Les participants à Nuit Debout «n’ont rien dans le cerveau» (Sarkozy)

 

Comme d’habitude Sarkozy ne fait pas dans la dentelle quand il veut démolir un mouvement adversaire en considérant que les participants à Nuit debout n’ont rien dans le cerveau. Une appréciation évidemment sans nuance même si on peut s’interroger sur l’évolution d’un mouvement dont la ligne idéologique est difficile à discerner. Nicolas Sarkozy n’est pas passé par quatre chemins pour dire tout le mal dont il pensait de Nuit debout et de ceux qui participent aux rassemblements quotidiens depuis plus de trois semaines. «Nous ne pouvons pas accepter que des gens qui n’ont rien dans le cerveau viennent sur la Place de la République donner des leçons à la démocratie française», a-t-il lancé sous les applaudissements. Plus largement, Nicolas Sarkozy a dépeint la situation du pays comme «bien plus grave que ce que l’on dit». «Il y a des jeunes Français éduqués en France qui en sont venus à haïr la France, il y a l’état d’urgence, il y a des casseurs tous les soirs place de la République, a-t-il énuméré. On incendie, on brûle, on bafoue l’autorité de l’État.»

 

(Avec AFP)

Botox : Rachida Dati peut tre rassurée l’utilisation du botox se diffuse aussi dans le cerveau

Botox : Rachida Dati peut être rassurée l’utilisation du botox se diffuse aussi dans le cerveau

 

Avec la barbe d’ Emanuel Macron, c’ets la métamorphose physique de Rachida Dati qui a fait là une des journaux consacrés à l’esthétique des politiques. Rachida Dati apparaît en effet le visage gonflé au botox afin de dissimuler les outrages du temps. Certains se sont alors interrogés sur les conséquences physiques et mentales de cette injection de sérum de jeunesse. Ils peuvent cependant être rassurés puisque la fameuse toxine botulique (botox) ce répandrait à terme aussi dans le cerveau ce qui pour Rachida Dati permettrait de muscler une partie du corps sans doute plus essentielle  que celle de son visage. La toxine puissante que des médecins leur ont injectée dans le visage pourrait s’échapper dans le système nerveux central ! Autrement dit, on peut en retrouver dans le cerveau ou la moelle épinière. C’est ce que viennent de découvrir Selon une étude menée par Dr Ismail Küçüker de la Faculté de médecine de Samsun (Turquie) et relayée sur le site de la société américaine de chirurgiens plasticiens, l’utilisation de Botox, conjointement avec un traitement à base d’acide hyaluronique, prolongerait les effets de comblement des rides de ce produit, en réduisant l’activité musculaire de la zone traitée. Les injections d’acide hyaluronique sont l’une des procédures cosmétiques peu invasives les plus courantes car c’est un produit naturel, à base de gel particulièrement  compatible avec le corps. Cependant, sa dégradation rapide limite l’effet antirides dans le temps, notamment en raison de la contraction des muscles voisins. C’est pour réduire cet effet de contraction que les chirurgiens plasticiens ont parfois recours à la toxine botulique (plus connue sous son nom de Botox) afin de provoquer une paralysie temporaire des muscles de la zone traitée. Un « temporaire » qui peut quand même durer quelques mois. Pour valider cette approche, le Dr Küçüker et son équipe ont mené une expérience sur des lapins. « Cette étude a montré que l’application d’acide hyaluronique pour le comblement des rides en combinaison avec la toxine botulique diminue de manière significative le processus de dégradation et augmente le volume restant à la fin de la période de paralysie, » ont déclaré les chercheurs. Ces derniers espèrent que leurs conclusions permettront de promouvoir cette nouvelle procédure auprès des patients qui optent pour un traitement de remplissage dermique.




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