De nombreuses méthodes d'exploration sont mises à disposition des scientifiques pour mieux comprendre le cerveau et son fonctionnement. Petit tour d'horizon des techniques utilisées à l'Institut du Cerveau.
L'électrophysiologie
L’électrophysiologie permet l’enregistrement des signaux électriques (influx nerveux ou potentiel d’action) émis par les neurones pour communiquer entre eux. La compréhension du fonctionnement du cerveau en condition normale est indispensable pour comprendre et mieux traiter les fonctions altérées dans les maladies du système nerveux mais aussi le préserver dans son état normal. Le signal électrique transmis par chaque neurone après activation est un élément clé de l’activité cérébrale qui est altéré lors d’une maladie neurologique et psychiatrique et est souvent à l’origine des déficits observés.
L’altération du potentiel d’action est par exemple le point de départ de l’épilepsie. A l’Institut du Cerveau, certains travaux de recherche se concentrent par exemple sur l'exploration des conditions cérébrales extrêmes exprimant des activités électriques continues et anormales.
La neuroimagerie
Les progrès des dernières décennies en neuroimagerie ont permis un développement considérable des connaissances sur l’anatomie et le fonctionnement du système nerveux. Les techniques de neuroimagerie sont regroupées en deux catégories principales :
- Les techniques de neurophysiologie basées sur la mesure de l’activité électrique ou magnétique des cellules du cerveau, comme l’électroencéphalographie (EEG) et la magnétoencéphalographie (MEG).
- Les techniques mesurant indirectement les changements d’activité cérébrale par le biais des modifications de perfusion du cerveau ou par l’injection de molécule radioactive, comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positons (TEP).
La recherche en neuroimagerie à l’Institut du Cerveau se développent selon trois axes principaux :
- La recherche clinique : étude des grandes pathologies du système nerveux et développement de traitements innovants ;
- La recherche en sciences cognitives : compréhension du fonctionnement du cerveau et étude des bases neurales de la pensée, du comportement et du vieillissement ;
- La recherche sur le traitement du signal et de l’image : développement de nouvelles méthodes d’acquisition et de traitement des données de l’activité ́ et de l’imagerie cérébrale.
La magnétoencéphalographie
Approches moléculaires et cellulaires
Les approches moléculaires et cellulaires sont utilisées pour comprendre les bases génétiques, moléculaires et cellulaires du développement, de la fonction et des maladies du système nerveux central. Parmi elles, on retrouve notamment :
- Le séquençage génétique, c’est-à-dire la lecture des longues molécules d’ADN qui forment les chromosomes. Cette lecture permet d’analyser le génome, de détecter les éventuelles mutations des gènes et d’identifier de possibles associations entre ces mutations et la manifestation des maladies neurologiques.
- Les explorations cellulaires par la mise en place de cultures de cellules facilement manipulables pour reproduire, de manière simplifiée, les mécanismes des pathologies nerveuses. Ces travaux requièrent d’enregistrer l’activité des cellules neuronales afin d’évaluer de possibles anomalies de transmission du signal électrique, de manipuler des cellules « souches » rendues pluripotentes pour produire d’authentiques cellules nerveuses ou gliales. Lorsque l’on s’intéresse au fonctionnement ou au dysfonctionnement du cerveau dans sa globalité, des techniques d’histologie sur coupes de tissu permettent d’évaluer l’intégrité des populations de neurones et de cellules gliales, au sein de différentes régions cérébrales. La visualisation des structures cérébrales peut aussi se faire en 3D, sur du tissu cérébral rendu transparent par une technique, dite de clarification
- L’imagerie cellulaire, pour observer à l’échelle microscopique des molécules, cellules et coupes de tissus, les mouvements cellulaires ou encore des compartiments à l’intérieur des cellules (organites, virus, cristaux, molécules).
L'étude du cerveau grâce à l'intelligence artificielle
L'Institut du Cerveau travaille sur la constitution de nouvelles approches mathématiques et informatiques pour l’étude de la structure du cerveau humain et de ses réseaux fonctionnels. La nécessité de transformer les données brutes d’imagerie en des modèles formalisés tels que des modèles géométriques de la structure du cerveau, des modèles statistiques de populations, des graphes de connectivité est aujourd’hui indispensable pour permettre de définir de nouveaux biomarqueurs de pathologies, d’étudier les corrélations entre génétique et symptômes ou encore de caractériser les réponses fonctionnelles du cerveau.
