On savait depuis un certain temps déjà que lorsqu’on effectue une tâche quelconque, une mémoire sensorielle de très courte durée collabore avec des capacités de mémorisation plus longues pour nous permettre d’effectuer la tâche. Et l’on savait aussi que cet encodage à différentes échelles de temps est corrélé avec la fréquence des oscillations de l’activité neuronale dans ces régions, des fréquences élevées des aires corticales sensorielles jusqu’aux fréquences très basses de nos aires associatives multimodales. Or dans un article intitulé Hierarchical dynamics as a macroscopic organizing principle of the human brain publié en août dernier dans la revue PNAS, Ryan Raut, Abraham Snyder et Marcus Raichle montrent que l’on peut généraliser ce grand principe non seulement à l’ensemble du cortex mais aussi à plusieurs structures sous-corticales. Partout, le profil temporal de l’activité oscillatoire spontanée dans le cerveau semble organisé le long de gradients allant de zones sensorielles à activité rapide à des zones multimodales correspondant à des fonctions de plus haut niveau où l’activité oscillatoire est beaucoup plus lente.

Ces résultats sont intéressants pour des raisons différentes selon les régions cérébrales considérées. En effet, pour ce qui est du cortex, ils viennent confirmer toutes sortes d’autres études qui pointaient en direction d’un tel gradient qui correspond de toute façon à notre expérience subjective du monde. Nous sommes capables de suivre les changements constants et extrêmement rapides qui surviennent dans notre environnement sans qu’il soit utile de retenir la moindre de ces petites fluctuations. Pensez à une scène où vous marchez sur le bord d’un lac entouré d’arbres par une belle journée d’été venteuse. Tout bouge, les feuilles, les branches, les reflets sur l’eau, le sentier qui défile devant vous parce que vous avancez, etc. Mais nous n’allons jamais retenir tout ça dans le détail. À l’opposé, si le ciel se couvre et que le tonnerre commence à se faire entendre, il est bon de puiser dans sa mémoire à long terme pour se rappeler qu’il s’agit d’un signe annonciateur d’un orage et qu’il serait souhaitable d’envisager un plan A ou un plan B s’il se met à pleuvoir fortement. On est alors dans les simulations mentales d’assez haut niveau correspondant à des rythmes beaucoup plus lents.

Mais là où cette étude apporte vraiment du nouveau, c’est en montrant que même nos principales structures sous-corticales semblent organisées selon un tel gradient de l’activité dynamique qu’elles génèrent spontanément. Et ce, malgré le fait que les quatre structures considérées ici, le striatum, le thalamus, le cervelet et l’hippocampe, ont des anatomies fonctionnelles et une architecture neuronale très différentes les unes des autres. Malgré cela, elles semblent toutes démontrer un gradient dans la fréquence de l’activité nerveuse qui s’étale de différentes façons sur l’ensemble de chacune de ces structures (voir l’image en haut de ce billet). En plus, ces gradients reflètent exactement ce que l’on connaît de l’organisation fonctionnelle de chacune de ces structures.

Par exemple, on observe dans le striatum un gradient d’ondes rapides à ondes plus lentes quand on va de sa région postérolatérale à sa région rostromédiane, ce qui correspond grosso modo aux zones d’afférences corticales plus motrices dans le premier cas et plus associatives dans le second. Dans le thalamus, on a une progression de la fréquence des rythmes à mesure que l’on passe des noyaux ventrolatéraux aux noyaux dorsomédians, ce qui correspond en gros au placements des noyaux de premier ordre versus d’ordre supérieur dans le thalamus. Même phénomène dans le cervelet avec un gradient antéro-postérieur. Et finalement, même chose aussi dans l’hippocampe avec un gradient allant de fréquences élevées à des fréquences plus basses de l’arrière vers l’avant de cette structure, ce qui correspond au degré de granularité des représentations temporelles et spatiales connues dans l’hippocampe.

Cette étude met donc en lumière des principes d’organisation de notre cerveau qui semblent très généraux et qui impliquent l’aspect dynamique trop souvent négligé de notre activité nerveuse. Nos rythmes cérébraux, qui découlent des propriétés intrinsèques de nos neurones et de leur connectivité, semblent néanmoins révéler un ordre insoupçonné dans la logique de leur organisation fréquentielle : des ondes rapides pour suivre ce qui se passe dans le monde dans les zones sensorielles de nos structures cérébrales, et des ondes plus lentes pour effectuer des opérations cognitives de plus haut niveau qui demandent une certaine autonomie par rapport aux incessantes variations du monde extérieur. Cela rejoint d’ailleurs tout à fait les travaux du même Marcus Raichle sur le réseau du mode par défaut. Activé lorsqu’aucune tâche du monde extérieur ne nous sollicite, il correspond donc à des états mentaux « tournés vers l’intérieur » (planification, cognition sociale, rêverie éveillée, etc.) où un ensemble de régions cérébrales associatives travaillent ensemble par l’entremise d’oscillation à fréquence plutôt basses.