Une étude identifie un modèle universel pour la forme du cerveau des mammifères

Des chercheurs ont développé une nouvelle approche pour décrire la forme du cortex cérébral et apportent la preuve que les cortex des espèces de mammifères ressemblent à un modèle fractal universel.

L’étude, publiée sous forme de Pré-impression revue dans eVie et qui paraît aujourd’hui sous forme de version révisée, est décrit par les éditeurs comme un cadre précieux pour notre compréhension du cortex cérébral en tant que forme fractale. Ils décrivent la force des preuves comme convaincante pour un modèle universel de repliement du cortex cérébral des mammifères.

Avec des recherches et une validation plus poussées, cette approche pourrait être utilisée pour apporter des informations sur le développement de diverses maladies neuropathiques dégénératives et congénitales.

Le cortex cérébral est la couche la plus externe du cerveau et est responsable de fonctions complexes telles que la pensée, la perception et la prise de décision. Le repliement du cortex cérébral, appelé gyrification, est le processus par lequel la surface du cerveau développe des sillons (sillons) et des crêtes (gyri). Ce repliement augmente la surface du cerveau, ce qui permet un plus grand nombre de neurones et un traitement plus complexe de l’information. Le cortex présente une grande diversité de formes et de tailles selon les espèces et au sein de celles-ci.

« Nous avons cherché à trouver un moyen de définir la forme du cortex et d’exprimer ce qui est unique dans les formes et les plis complexes qui composent chaque cortex », explique l’auteur principal Yujiang Wang, Future Leaders Fellow au Computational Neurology, Neuroscience & Psychiatry (CNNP) Lab de l’École d’informatique de l’Université de Newcastle, au Royaume-Uni.

« On peut regarder une image du cortex cérébral et reconnaître ce qu’il est. Mais comment pouvons-nous distinguer notre cortex du mien ? Ou comment pouvons-nous distinguer le cortex cérébral d’une girafe de celui d’un ouistiti ? Cela nécessite une façon plus expressive de décrire la forme du cortex. »

Wang et ses collègues ont commencé par établir deux principes clés. Tout d’abord, ils savaient que les cortex ne peuvent pas simplement prendre n’importe quelle forme pliée : les cortex sont de fines feuilles de matière grise pliées de manière complexe autour de la matière blanche, et le degré de pliage qu’ils subissent est précisément déterminé par l’épaisseur et la taille de cette feuille. Ce principe est appelé mise à l’échelle universelle.

Ils ont ensuite imaginé un moyen de « faire fondre » le cortex cérébral, en supprimant les plis qui étaient plus petits qu’un certain seuil, ce qui leur a permis d’étudier les plis restants individuellement. Cela a révélé le deuxième principe : les cortex sont composés de plis de différentes tailles, où les petits plis ressemblent à leurs plus grands plis – une propriété appelée auto-similarité. Cela ressemble à la mise à l’échelle fractale, où une forme géométrique complexe présente des motifs complexes qui se répètent à des échelles progressivement plus petites.

L’équipe a ensuite combiné ces principes d’échelle universelle et d’auto-similarité pour étudier le cortex cérébral de 11 espèces différentes de primates, dont des humains, des chimpanzés et des ouistitis. Cette étude a révélé que malgré les différences visuelles évidentes entre les cortex des espèces, tous suivent une loi d’échelle universelle et ressemblent à la même forme fractale. Ainsi, si vous prenez le cortex le plus complexe étudié, celui d’un humain, et que vous utilisez le processus de fusion de l’équipe pour éliminer les plus petits plis, il commence à ressembler à celui d’un chimpanzé. Si vous faites fondre le cortex d’un chimpanzé, il ressemble à celui d’un macaque rhésus, et ainsi de suite.

Ces résultats suggèrent que, quelle que soit l’espèce, le cortex cérébral ne se replie que d’une seule manière. Alors pourquoi ces deux cortex sont-ils si clairement différents lorsqu’on les observe par IRM ? Leur taille est différente, certains sont fortement repliés, comme le cortex humain, et d’autres sont beaucoup plus lisses, comme le cortex du ouistiti.

« L’essentiel est de définir précisément ce que nous entendons par « ressembler », explique Bruno Mota, auteur principal et professeur au laboratoire metaBIO de l’Instituto de Física de l’Université fédérale de Rio de Janeiro, au Brésil. On peut imaginer une forme qui ressemble à un cortex humain, mais en zoomant, on découvre que dans chaque pli, il y a des plis infiniment plus petits. Une telle forme ne peut pas exister dans la nature, mais elle peut être définie mathématiquement comme une forme fractale, comme nous l’avons fait ici. Nous avons montré que tous les cortex des espèces que nous avons étudiés ressemblent à cette forme fractale pour une certaine gamme de tailles de plis. »

Par conséquent, ajoute Mota, les différences observées dans les formes corticales entre ces espèces sont en grande partie dues au fait que chacune d’elles présente une gamme différente de tailles de plis pour lesquelles la ressemblance est valable. Pour un cortex plus lisse, comme celui d’un ouistiti, cette gamme est plus étroite ; pour un cortex plus plié, comme celui d’un chimpanzé, elle est plus large.

Les auteurs précisent que leur étude s’est limitée à la description d’hémisphères corticaux entiers et qu’ils chercheront à explorer des régions corticales plus spécifiques dans le cadre de travaux ultérieurs. Ils étudieront également la manière dont les maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer affectent la forme fractale du cortex. Cela pourrait éventuellement permettre l’identification de biomarqueurs plus détaillés pour diverses affections et maladies neurologiques et contribuer à une meilleure compréhension de leur développement.

« Nos résultats suggèrent un modèle universel pour la forme du cerveau des mammifères et un ensemble commun de mécanismes régissant le repliement cortical », conclut Mota. « Nous espérons que notre cadre d’expression et d’analyse de la forme corticale pourra devenir un outil puissant pour caractériser et comparer les cortex de différentes espèces et individus, à travers le développement et le vieillissement, et entre la santé et la maladie. »