Les Étincelles du Palais de la découverte
La médiation scientifique
2 août au 15 octobre 2017
Quelles modifications s'opèrent dans le cerveau lorsqu'on apprend à jouer d'un instrument de musique ou plus généralement lors de tout apprentissage ? Comment obtenir des images du cerveau "en train d'apprendre" ?
Célian Bimbard, doctorant du "Laboratoire des Systèmes Perceptifs" du DEC-ENS de Paris étudie le système auditif du furet comparable à celui des humains dans le but d'en savoir davantage sur la plasticité cérébrale liée à l'apprentissage. Il utilise une technique d'échographie révolutionnaire mise au point en 2011 par Mickael Tanter (Institut Langevin INSERM).
A l’instar de l’imagerie par résonance magnétique, l’imagerie ultrasonore permet un pas de plus vers l'observation de l'activité du cerveau de manière non invasive, avec une très haute résolution. Les principes de l’imagerie ultrasonore sont présentées à l’aide d’une cuve à onde et d’un système d’analyse de fréquence. Les visiteurs observent l’effet du mouvement sur la propagation des ondes. C'est l'effet Doppler. Il permet de mesurer la vitesse des globules rouges dans le sang, vitesse représentative du débit sanguin et donc de l’intensité de l’activité des différentes zones du cerveau lors d’une tâche spécifique.
L'activité des différentes zones du cerveau (ici un rat) est détectée par l'augmentation locale du débit sanguin (couplage neurovasculaire). Avec plus de 5000 images/sec (100 fois plus que l'échographie conventionnelle), la technique d'échographie ultrarapide (fUS) offre un meilleur rendu des images et la possibilité de voir "en temps réel" l'activité du cerveau dans sa totalité.
La technique fUS utilise des ondes ultrasonores planes qui sondent le cerveau dans sa globalité à une cadence élevée. Le nombre élevé d'acquisitions permet de les moyenner sur des durées très courtes, ce qui améliore notablement la précision des images (rapport signal/bruit élevé). L'échographie conventionnelle utilise des ondes focalisées nécessitant un lent balayage rédhibitoire pour exploration de l'activité cérébrale en temps réel.
Les globules rouges (érythrocytes) apportent oxygène et nutriments aux neurones (cellules du cerveau) consommateurs d'énergie. Le débit des globules, plus précisément leur vitesse, est mesuré par effet Doppler. De la même façon qu'on entend la sirène d'une voiture de pompier différemment lorsqu'elle se rapproche de nous ou s'éloigne, la fréquence des ultrasons émis par la sonde diffère de celle qu'elle reçoit après réflexion sur le globule. Plus le globule va vite plus la différence de fréquence est grande.
Des aires cérébrales spécifiques sont cartographiées par les neuroscientifiques. Ils ont montré qu'elles se réorganisaient avec l'apprentissage. Ici, cartographies cérébrales de la zone correspondant aux doigts dans le cortex somatosensoriel d'un singe, avant et après un entraînement intensif de l'index (zones grisées).
Cette plasticité cérébrale pourrait être suivie en temps réel à l'aide de la technique "fUS".
De nos jours, des analyseurs sont capables de coder les sons en fonction de leurs fréquences, de leur intensité et du temps (spectrogramme). Notre cerveau fait de même.
Les aires cérébrales du cortex auditif des furets (et des humains) réagissent spécifiquement selon la fréquence des sons entendus (les zones bleues sont activées par des sons graves). Cette "carte des fréquences" (tonotopie) participe au codage de l'information auditive dans le cerveau.
Comment cette cartographie se modifie-t-elle avec l'apprentissage ? C'est la question à laquelle des neuroscientifiques du LSP tentent de répondre en établissant des tonotopies du cortex auditif des furets tout au long de leur apprentissage consistant à reconnaitre un son particulier.
