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Un cerveau virtuel capable de générer des signatures d'éveil et de sommeil profond

À quoi rêve COALIA ? Ce modèle informatique, branché sur un électroencéphalogramme (EEG) virtuel, est capable de générer des tracés semblables à ceux d'un cerveau humain en état d'éveil ou de sommeil profond. Développé par des chercheurs du Laboratoire traitement du signal et de l'image (LTSI - Inserm/Université de Rennes 1), cet outil sert à mieux comprendre les mécanismes neurobiologiques majeurs à l’origine des différents états de conscience. Publication dans Frontiers in Systems Neuroscience (13 nov. 2019)

Coalia - S. Bensaid, P. Benquet et al.
  1. Quels sont les mécanismes neurobiologiques majeurs à l’origine des différents états de conscience ?
  2. À quoi ressemble COALIA ?
  3. Résultats et perspectives
  4. Référence

Quels sont les mécanismes neurobiologiques majeurs à l’origine des différents états de conscience ?

Pour aborder cette question complexe, aux implications fondamentales mais également cliniques, des chercheurs du LTSI ont réussi à construire un modèle informatique du cerveau entier humain capable de produire des EEG (ou électroencéphalogrammes, ces signaux d’activité électrique du cerveau) réalistes.

Les tracés sont semblables à ceux générés par des êtres humains en état d’éveil ou de sommeil profond.

À quoi ressemble COALIA ?

Ce cerveau virtuel est constitué de réseaux de neurones modélisés sur ordinateur reproduisant les dynamiques de cellules nerveuses du thalamus et du cortex, sur la base d’enregistrements expérimentaux.

Ces réseaux de neurones ont été placés virtuellement sur un cortex humain modélisé à partir d’images IRM, et connectés suivant des résultats d’imagerie obtenus là encore chez l’être humain.

L’activité électrique produite par ces ensembles neuronaux génère des rythmes cérébraux similaires à l’activité enregistrée par EEG.
 

Schéma fonctionnel du modèle informatique COALIA - © S. Bensaid, P. Benquet et al.

Résultats et perspectives

Pour mesurer l'état de conscience d'un patient, l'une des techniques utilisées en médecine est la stimulation magnétique transcrânienne. Une bobine placée à proximité immédiate du crâne du patient émet des ondes électromagnétiques qui viennent stimuler les neurones. La réponse du cerveau, lisible sur les tracés de l'électroencéphalogramme, permet d'évaluer d'une certaine manière l'état de conscience de la personne.

Si on applique la même technique à COALIA, en simulant une dépolarisation transitoire du réseau de neurones par quelques lignes de programme informatique, sa réponse sur les tracés de l'encéphalogramme fournit les mêmes résultats qu'en expérimentation réelle.

Ce modèle permet donc de simuler, à l’échelle du cerveau, la génération des rythmes cérébraux impliqués dans différents états de conscience, tout en faisant le lien entre le niveau microscopique (connexions entre différents types cellulaires) et le niveau macroscopique (EEG enregistré au niveau du scalp).

COALIA permettra par exemple aux chercheurs de générer des crises d’épilepsie à différents endroits du cerveau virtuel, en reproduisant les caractéristiques cérébrales d'un patient donné, et d’étudier leurs propagations. Cela ouvre la possibilité de faire de la pharmacologie virtuelle pour anticiper l’effet de médicaments.
 
Une autre application possible serait de modifier les niveaux d’excitabilité de certaines zones du cortex, afin d’améliorer la récupération des patients atteints d’altération de conscience (coma).

Référence

COALIA: a computational model of human EEG for consciousness research
Siouar Bensaid1,2, Julien Modolo1,2, Isabelle Merlet1,2,  Fabrice Wendling1,2 and Pascal Benquet1,2
Front. Syst. Neurosci. | doi: 10.3389/fnsys.2019.00059

1 - University of Rennes 1, France
2 - Inserm U1099 Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image, France