La chirurgie de l'épilepsie révèle les autoroutes secrètes du cerveau: Le rôle des centres neuronaux

La recherche menée par l'équipe de l'Université de l'Iowa sur les patients épileptiques a montré que les centres cérébraux sont cruciaux pour le traitement normal du cerveau, en particulier dans le langage. Le cerveau a présenté une réponse adaptative rapide après la suppression d'un centre lié au langage, soulignant l'importance de ces centres et remettant en question les théories précédentes. Crédit: SciTechDaily.com

Une expérience rare pendant une chirurgie du cerveau aide les chercheurs à mieux comprendre les réseaux neuronaux.

Une équipe internationale de neuroscientifiques dirigée par l'Université de l'Iowa a obtenu les premiers enregistrements directs du cerveau humain avant et après la désactivation chirurgicale d'un centre cérébral crucial pour le sens du langage. Les résultats révèlent l'importance des centres cérébraux dans les réseaux neuronaux et la façon remarquable dont le cerveau humain tente de compenser lorsque le centre est perdu, avec une immédiateté jamais observée auparavant.

Que se passe-t-il lorsque le cerveau perd un centre important? Quel est l'impact immédiat sur le réseau neuronal et comment compense-t-il?

Les centres sont partout. Le centre d'une roue de vélo, avec des rayons qui partent du centre, empêche la roue de s'effondrer lorsque le vélo est utilisé. Les centres aéroportuaires relient les villes du monde entier. Et les centres sociaux, comme les cafés ou les réseaux sociaux en ligne, sont des endroits où les gens se réunissent pour interagir.

Le cerveau humain a aussi des centres - l'intersection de nombreux chemins neuronaux qui aident à coordonner l'activité cérébrale nécessaire à des fonctions complexes comme la compréhension et la réponse à la parole. Cependant, il a été controversé de savoir si les centres cérébraux hautement interconnectés sont irremplaçables pour certaines fonctions cérébrales. Selon certains témoignages, le cerveau, en tant que réseau neuronal déjà hautement interconnecté, peut en principe compenser immédiatement la perte d'un centre, de la même manière que la circulation peut être déviée autour d'un centre-ville bloqué.

Crédit: University of Iowa Health Care

Avec une rare opportunité expérimentale, les équipes de neurochirurgie et de recherche de l'UI dirigées par Matthew Howard III, MD, professeur et DEO de neurochirurgie, et Christopher Petkov, PhD, professeur et vice-président chargé de la recherche en neurochirurgie, ont réalisé une percée dans la compréhension de la nécessité d'un seul centre.

En obtenant des preuves de ce qui se passe lorsque l'on perd un centre nécessaire au sens du langage, les chercheurs ont montré à la fois l'importance intrinsèque du centre ainsi que la capacité remarquable et rapide du cerveau à s'adapter et à compenser au moins partiellement sa perte. Les résultats ont été rapportés récemment dans la revue Nature Communications.

L'étude a été réalisée lors du traitement chirurgical de deux patients épileptiques. Les deux patients subissaient des interventions nécessitant l'ablation chirurgicale du lobe temporal antérieur - un centre cérébral pour le sens du langage - afin de permettre aux neurochirurgiens d'accéder à une zone cérébrale plus profonde provoquant des crises d'épilepsie handicapantes chez les patients. Avant ce type de chirurgie, les équipes de neurochirurgie demandent souvent aux patients d'effectuer des tâches de parole et de langage dans la salle d'opération pendant que l'équipe utilise des électrodes implantées pour enregistrer l'activité des parties du cerveau proches et éloignées de la zone prévue pour l'intervention. Ces enregistrements aident l'équipe clinique à traiter efficacement les crises tout en limitant l'impact de la chirurgie sur les capacités de parole et de langage du patient.

En général, les électrodes d'enregistrement ne sont pas nécessaires après la procédure de résection chirurgicale et sont retirées. L'innovation de cette étude était que l'équipe de neurochirurgie a pu terminer en toute sécurité la procédure en laissant les électrodes d'enregistrement en place ou en les replaçant au même endroit après la procédure. Cela a permis d'obtenir des enregistrements rares avant et après l'opération, ce qui a permis aux chercheurs d'évaluer les signaux provenant de zones du cerveau éloignées du centre, y compris des zones de parole et de langage éloignées du site chirurgical. L'analyse du changement des réponses aux sons de la parole avant et après la perte du centre a révélé une perturbation rapide de la signalisation et une compensation partielle ultérieure du réseau cérébral plus large.

«L'impact rapide sur les régions de traitement de la parole et du langage, éloignées du site de traitement chirurgical, était surprenant, mais ce qui était encore plus surprenant, c'est la façon dont le cerveau travaillait pour compenser, quoique de manière incomplète, dans ce laps de temps court», explique Petkov, qui est également membre de la Faculté de médecine de l'Université de Newcastle au Royaume-Uni.

Les résultats réfutent les théories remettant en question la nécessité de centres cérébraux spécifiques en montrant que le centre était important pour maintenir le traitement normal du cerveau dans le langage.

«Le traitement neurochirurgical et les nouvelles technologies continuent d'améliorer les options de traitement disponibles pour les patients», déclare Howard, qui est également membre de l'Iowa Neuroscience Institute. «La recherche comme celle-ci souligne l'importance d'obtenir en toute sécurité et de comparer les enregistrements électriques avant et après l'opération, en particulier lorsque un centre cérébral pourrait être affecté.

According to the researchers, the observation on the nature of the immediate impact on a neural network and its rapid attempt to compensate provides evidence in support of a brain theory proposed by Professor Karl Friston at University College London, which posits that any self-organizing system at equilibrium works towards orderliness by minimizing its free energy, a resistance of the universal tendency towards disorder. These neurobiological results following human brain hub disconnection were consistent with several predictions of this and related neurobiological theories, showing how the brain works to try to regain order after the loss of one of its hubs.

Reference: “Immediate neural impact and incomplete compensation after semantic hub disconnection” by Zsuzsanna Kocsis, Rick L. Jenison, Peter N. Taylor, Ryan M. Calmus, Bob McMurray, Ariane E. Rhone, McCall E. Sarrett, Carolina Deifelt Streese, Yukiko Kikuchi, Phillip E. Gander, Joel I. Berger, Christopher K. Kovach, Inyong Choi, Jeremy D. Greenlee, Hiroto Kawasaki, Thomas E. Cope, Timothy D. Griffiths, Matthew A. Howard III and Christopher I. Petkov, 7 October 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-42088-7

In addition to Petkov and Howard, the research team included researchers in the UI Departments of Neurosurgery, Radiology, and Psychological and Brain Sciences, as well as colleagues from Newcastle University, UCL, and University of Cambridge in the UK, and from Carnegie Mellon University, University of Wisconsin-Madison, and Gonzaga University in the United States.

The research was funded in part by grants from National Institutes of Health, the Wellcome Trust. and the European Research Council.