Le cerveau humain ne vient pas avec un manuel d'exploitation. Cependant, un groupe de scientifiques de l'Université de Santa Barbara et l'Université de Pennsylvanie ont mis au point un moyen de convertir des techniques d'imagerie cérébrale structurale en «schémas de câblage» de connexions entre les régions du cerveau.
Trois chercheurs du Département de l'UCSB des sciences psychologiques et Casse - Michael Miller, Scott Grafton et Matt Cieslak - utilisés la structure des réseaux de neurones pour révéler les règles fondamentales qui régissent quelles parties du cerveau sont plus en mesure d'exercer le contrôle cognitif des pensées et actions. Cette étude est la première à fournir une explication mécanistique de la façon dont le cortex frontal exerce un contrôle sur les milliers de milliards de neurones individuels qui permettent aux gens de rester concentré sur une tâche ou passer à un radicalement différent. Les résultats apparaissent aujourd'hui dans la revue Nature Communications.
"Certaines régions de votre cerveau sont prédisposés à contrôler vos pensées sur la base où ils se situent par rapport aux autres régions", a déclaré Miller, un professeur de psychologie UCSB et co-auteur de l'étude."Les régions sur la« périphérie »peuvent effectuer un genre très spécifique de contrôle. Ils peuvent se déplacer le système aux Etats lointains, comme le passage de travailler à votre travail pour jouer avec vos enfants."
Cette nouvelle recherche épouse pointe neurosciences avec le domaine émergent de la science des réseaux, qui est souvent utilisé pour étudier les systèmes sociaux. En appliquant la théorie du contrôle - un champ traditionnellement utilisé pour étudier les systèmes électriques et mécaniques - les enquêteurs montrent que d'être à la périphérie du cerveau est nécessaire pour le cortex frontal pour contrôler dynamiquement la direction de pensées et le comportement orienté vers un but.
"Nous avons besoin d'une théorie de base de la façon dont le cerveau contrôlant lui-même, et pour y arriver, nous suggérons de traiter le cerveau comme un système d'ingénierie", a déclaré l'auteur principal Danielle Bassett, l'Skirkanich professeur adjoint de l'innovation dans l'école de Penn de l'ingénierie et des sciences appliquées. "Le contrôle cognitif est un peu comme le contrôle de l'ingénierie: Vous modélisez la dynamique du système en identifiant les points clés; si je pousse sur cette seule pièce ou tirer le levier, je peux offrir une prédiction de la façon dont cela va affecter d'autres parties du réseau."
En appliquant les équations de la théorie de contrôle pour les schémas de câblage générées à partir de scans du cerveau, les chercheurs ont montré que les différences géographiques et fonctionnelles entre les régions du cerveau sont liées. Bien que l'analyse ne peut pas dire si l'emplacement de l'cortex frontal ou son rôle a évolué d'abord, il suggère qu'une partie de la capacité du cortex frontal pour contrôler la fonction exécutive dépend de sa distance à partir d'autres parties du réseau de cerveau.
«Cette étude ouvre une nouvelle vague de la science des réseaux, fondée sur la théorie de contrôle rigoureux», a déclaré le co-auteur Grafton, directeur du Centre d'imagerie cérébrale de l'UCSB. "Lorsqu'il est appliqué aux données state-of-the-art imagerie cérébrale nous commençons à voir certains de la conception compromis inhérents à l'architecture des connexions du cerveau."
Régions qui sont les plus interconnectés - et donc plus internes au réseau - sont très bons à déplacer le cerveau dans les États voisins - par exemple, d'écrire un e-mail à quelqu'un de parler avec cette personne sur le téléphone."Ce qui est particulièrement intéressant si on regarde où ces nœuds intérieurs sont, ils sont tous dans les régions« mode par défaut », qui sont les régions qui sont actives lorsque vous êtes au repos", a déclaré Bassett, un ancien associé de recherche postdoctorale à l'action de Grafton Lab à l'UCSB. "Cela a du sens, parce que si vous étiez l'ingénierie d'un système optimal, vous voulez mettre sa base où il peut accéder à la plupart des endroits, il doit aller assez facilement."
Selon le co-auteur Cieslak, ce type de compréhension holistique de la relation entre les emplacements des régions du cerveau et de leurs rôles est nécessaire d'adapter les meilleurs traitements pour les personnes qui ont perdu la fonction exécutive en raison de maladie ou de blessure. Il a noté que cette compréhension fondamentale de la façon dont le cerveau contrôle son activité pourrait aider à mener à de meilleures interventions pour des conditions médicales associées au contrôle cognitif réduit, comme l'autisme, la schizophrénie ou la démence.