La structure du cerveau ressemble à celle de l’Univers. © onimate, AnneLeven, Adobe Stock
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Le cerveau humain ressemble étrangement à l'Univers

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Des chercheurs ont comparé la structure de l'Univers à celle du réseau neuronal. Proportions, fluctuations de la matière, connexions entre les étoiles et les neurones... Ils ont constaté des similitudes troublantes entre les deux... malgré des échelles distantes d'années-lumière !

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Comparer le cerveau humain, qui mesure en moyenne 1.500 cm3 et pèse 1,4 kg, avec l'Univers, estimé à plus de 880.000 milliards de milliards de kilomètres de diamètre, peut sembler quelque peu incongru. C'est pourtant l'exercice auquel se sont essayés deux chercheurs dans un article publié dans la revue Frontiers in Physics. Aussi étonnant que cela puisse paraître, ils ont découvert des similitudes troublantes entre les deux structures. « Bien que les interactions physiques dans les deux systèmes soient complètement différentes, leur observation au moyen de techniques microscopiques et télescopiques permet de saisir une morphologie analogue fascinante, au point qu'il a souvent été noté que la toile cosmique et la toile des neurones se ressemblent », écrivent l'astrophysicien Franco Vazza et le neurobiologiste Alberto Feletti.

70 % de masse « inutile »

Les similitudes sont d'abord notables au niveau des proportions. Le cerveau contient 86 milliards de neurones, reliés par des millions de milliards de synapses. L'Univers observable est formé d'au moins 100 milliards de galaxies, arrangées elles aussi en longs filaments et en nœuds. Dans les deux systèmes, 75 % de la masse a un rôle « passif » : l'eau dans le cas du cerveau, l’énergie noire dans le cas de l’Univers.

Partant de ce constat troublant, les chercheurs ont poursuivi leur comparaison plus loin, en cherchant à observer comment les fluctuations de la matière se dispersent à des échelles aussi différentes. Ils ont pour cela fait appel à une analyse de la densité spectrale de puissance, une technique souvent utilisée en cosmologie pour étudier la distribution spatiale des galaxies. « Notre analyse montre que la distribution des fluctuations au sein du réseau neuronal du cervelet sur une échelle allant de 1 micromètre à 0,1 millimètre suit la même progression de la distribution de la matière dans la toile cosmique mais, bien sûr, à une échelle plus grande qui va de 5 millions à 500 millions d'années-lumière », atteste Franco Vazza.

À gauche, une section du cervelet grossie 40x. À droite, une simulation cosmologique de l’Univers (portion de 300 millions d’années). © Université de Bologne

Deux réseaux qui partagent les mêmes structures de connexions

Les deux chercheurs ont également comparé d'autres paramètres, comme le nombre de connexions dans chaque nœud et la tendance à recouper plusieurs connexions dans les nœuds centraux du système. « Une fois de plus, les paramètres structurels ont permis d'identifier des niveaux de concordance inattendus », révèle Alberto Feletti. Les chercheurs se sont aussi amusés à quantifier les informations stockables par chaque système. Sachant que chaque synapse peut contenir 4,7 bits de données, on estime que le cerveau humain est capable de stocker 2,5 petabytes de mémoire. Pour l'Univers, il a été calculé qu'il faudrait 4,3 petabytes de mémoire pour stocker toutes les informations des structures cosmiques observables. Là encore, les ordres de grandeur sont les mêmes.

« Il est probable que la connectivité au sein des deux réseaux évolue selon des principes physiques similaires, malgré la différence frappante et évidente entre les puissances physiques régulant les galaxies et les neurones », souligne Alberto Feletti. Bien entendu, il existe aussi des différences notoires entre les deux systèmes. On sait par exemple que l'Univers est en expansion et se réchauffe, ce qui n'est (heureusement) pas le cas du cerveau. De plus, cette comparaison est basée sur des simplifications majeures. Il n'en reste pas moins que l'expression « avoir la tête dans les étoiles » prend tout son sens à la lecture de cette étude.

Pour en savoir plus

Cerveau : sa structure serait bien plus simple qu’on ne le pensait !

Article de Jaloux Chaput publié le 31/03/2012

Certains prétendent que le cerveau est l'objet le plus complexe de l'univers connu. Peut-être pas autant que prévu, selon des chercheurs américains. Il se composerait en fait de fibres parallèles et perpendiculaires les unes par rapport aux autres, lui donnant globalement une structure en grille tridimensionnelle. De quoi ouvrir des perspectives médicales considérables !

Le cerveau, ce sont des dizaines de milliards de neurones reliés les uns aux autres à travers des centaines de milliards de connexions. Il y a donc de quoi se perdre à jamais dans cet immense réseau. Pourtant, des scientifiques de l'École de médecine d’Harvard viennent de montrer que cette complexité apparente serait issue d'une structure sous-jacente bien plus simple que ce qu'on imaginait.

Leur protocole et les résultats sont détaillés dans la revue Science. Depuis des années, pour observer les fibres du cerveau, les chercheurs utilisaient une technique appelée imagerie du tenseur de diffusion, qui permet de traquer la propagation de l'eau dans un tissu biologique. En suivant le chemin qu'elle emprunte, il est possible de voir comment les filaments sont connectés entre eux. Pour leur étude, les auteurs ont mis au point une IRM à spectre de diffusion, qui repère mieux les points où ces fibres se rejoignent.

Le cerveau se structure selon trois axes qui forment une grille

Quatre espèces de primates non-humains ainsi que des volontaires humains ont servi de cobayes. Les résultats montrent que les fibres sont disposées de manière parallèle et à chaque jonction, elles tournent selon un angle droit. Cela peut faire penser au maillage d'un tissu en laine ou à une grille en trois dimensions. Ainsi, on pourrait donner la latitude, la longitude et l'altitude des fibres du cerveau et pourquoi pas établir un atlas.

Il est également intéressant de noter qu'elles s'arrangent selon trois axes principaux, ceux-là mêmes qui s'établissent dans les premiers temps du développement embryonnaire : haut-bas, droite-gauche et avant-arrière. Van Wedeen, l'un des auteurs de l'étude, explique qu'une telle organisation permet aux fibres de croître dans la bonne direction, en suivant tout simplement les règles classiques, contrôlées par les signaux biochimiques.

L'image est parlante. Ce n'est pas un gros plan sur un vêtement en textile, mais les fibres du cerveau telles qu'elles ont été observées chez le macaque rhésus Macaca mulatta. Cela forme un vrai quadrillage. © Van Wedeen, Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital

Cependant, cette grille n'est pas parfaite pour autant. C'est chez le galago, animal testé le plus éloigné de nous, que le quadrillage paraît le plus net. Plus on remonte l'arbre généalogique des primates vers l'Homme et plus des plis et des courbures apparaissent dans la structure du cerveau.

Des perspectives intéressantes… mais sont-elles crédibles ?

Cette découverte, parfaitement inattendue, pourrait bien déboucher sur des applications scientifiques importantes. Par exemple, elle pourrait aider à mieux comprendre l'évolution du cerveau. Si ces structures partaient dans tous les sens, il serait plus difficile d'en déterminer la base. Mais si les couches peuvent presque s'empiler les unes sur les autres, la chronologie est plus simple à établir. Pour faire dans la métaphore, il paraît évident que lorsqu'on aperçoit le douzième étage d'un immeuble, on sait qu'il y en a onze autres en dessous.

Autre piste, les chercheurs pensent qu'il sera peut-être possible d'établir un lien entre des lésions au niveau du cerveau et des pathologies neurologiques ou psychiatriques. Selon leur idée, des fibres manquantes pourraient être à l'origine de maladies nerveuses. Ainsi, on pourrait les soigner en connectant de nouveau entre elles des régions qui auraient dû rester en communication.

L'histoire semble donc très belle. Mais peut-être trop pour certains scientifiques, qui doutent que cela soit aussi simple. Marco Catani, spécialiste de l'imagerie par diffusion au King's College de Londres, prétend que la technique utilisée ne repère pas les fibres qui se croisent avec un angle inférieur à 70 °, et lui-même reconnaît avoir parfois découvert des filaments qu'il n'avait pas vus en complétant sa recherche à l'aide d'une autre technique d'imagerie. Van Wedeen pense au contraire que quelle que soit la méthode utilisée, ses observations resteraient inchangées. La discorde ne fait peut-être que commencer.

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