Note de l'éditeur: Dans cette série hebdomadaire, LiveScience explore comment la technologie stimule l'exploration et la découverte scientifiques.
L'expérience humaine est définie par le cerveau, mais beaucoup de choses sur ces 3 livres. l'orgue reste un mystère. Malgré cela, de l'imagerie cérébrale aux interfaces cerveau-ordinateur, les scientifiques ont fait des progrès impressionnants dans le développement de technologies permettant de scruter l'intérieur de l'esprit.
Imagerie du cerveau
Actuellement, les scientifiques qui étudient le cerveau peuvent examiner sa structure ou sa fonction. En imagerie structurelle, les machines prennent des instantanés de l'anatomie à grande échelle du cerveau qui peuvent être utilisés pour diagnostiquer des tumeurs ou des caillots sanguins, par exemple. L'imagerie fonctionnelle offre une vue dynamique du cerveau, montrant quelles zones sont actives pendant la réflexion et la perception.
Les techniques d'imagerie structurelle comprennent les scanners CAT ou la tomographie axiale informatisée, qui prend des images de coupes à travers le cerveau en diffusant des rayons X à la tête sous de nombreux angles différents. Les scanners CAT ou CT sont souvent utilisés pour diagnostiquer une lésion cérébrale, par exemple. Une autre méthode, la tomographie par émission de positrons (TEP), génère à la fois des images 2D et 3D du cerveau: un produit chimique marqué radioactivement injecté dans le sang émet des rayons gamma qu'un scanner détecte. Et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) fournit une vue de la structure globale du cerveau en mesurant le spin magnétique des atomes à l'intérieur d'un champ magnétique puissant.
"Il ne fait aucun doute que l'IRM est probablement la meilleure façon de voir le cerveau", a déclaré le Dr Mauricio Castillo, radiologue à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et rédacteur en chef de l'American Journal of Neuroradiology.
Dans le domaine de l'imagerie fonctionnelle, l'étalon-or actuel est l'IRM fonctionnelle (IRMf). Cette technique mesure les changements dans le flux sanguin vers différentes zones du cerveau en tant que proxy pour quelles zones sont actives lorsque quelqu'un effectue une tâche comme lire un mot ou visualiser une image.
"De nos jours, l'accent est mis sur la fusion de la connexion du cerveau avec l'activation du cortex", a expliqué Castillo.
Plusieurs méthodes peuvent être combinées pour fusionner la structure et la fonction cérébrales. Par exemple, l'IRM et la TEP peuvent être effectuées simultanément, et les images peuvent être combinées pour montrer l'activité physiologique superposée sur une carte anatomique du cerveau. Le résultat final peut être utilisé pour indiquer à un chirurgien l'emplacement d'une lésion cérébrale afin qu'elle puisse être retirée, a déclaré Castillo.
Récemment, une nouvelle technique a été développée pour voir littéralement l'intérieur du cerveau. Appelé CLARITY (à l'origine pour Clear Lipid-exchange-échanged Acrylamide Rigid Imaging / Immunomaining / In situ hybridization Hybrid-compatible Tissue-hYdrogel), il peut rendre un cerveau (non vivant) transparent à la lumière tout en gardant sa structure intacte. La technique a déjà été utilisée pour visualiser le câblage neurologique d'un cerveau de souris adulte.
Décoder les pensées
Certains scientifiques veulent voir l'intérieur du cerveau de façon plus figurée. Entrez dans les interfaces cerveau-ordinateur (BCI ou BMI, interfaces cerveau-machine), les appareils qui connectent les signaux du cerveau à un appareil externe, comme un ordinateur ou un membre prothétique. Les BCI vont des systèmes non invasifs qui consistent en des électrodes placées sur le cuir chevelu, à des systèmes plus invasifs qui nécessitent que les électrodes soient implantées dans le cerveau lui-même.
Les BCI non invasifs incluent l'électroencéphalographie basée sur le cuir chevelu (EEG), qui enregistre l'activité de nombreux neurones sur de grandes zones du cerveau. L'avantage des systèmes à base d'EEG est qu'ils ne nécessitent pas de chirurgie. D'un autre côté, ces systèmes ne peuvent détecter qu'une activité cérébrale généralisée, l'utilisateur doit donc concentrer ses pensées sur une seule tâche.
Les systèmes plus invasifs comprennent l'électrocorticographie (ECoG), dans laquelle des électrodes sont implantées à la surface du cerveau pour enregistrer les signaux EEG du cortex. Depuis que Wilder Penfield et Herbert Jasper ont été les pionniers de la technique au début des années 1950, elle a été utilisée, entre autres, pour identifier les régions du cerveau où les crises d'épilepsie commencent.
Certains BCI utilisent des électrodes implantées à l'intérieur du cortex cérébral. Bien que ces systèmes soient plus invasifs, ils ont une bien meilleure résolution et peuvent capter les signaux envoyés par les neurones individuels. Les BCI peuvent désormais même permettre aux humains atteints de paraplégie (paralysie des quatre membres) de contrôler un bras robotisé par la seule pensée, ou permettre aux utilisateurs d'épeler des mots sur un écran d'ordinateur en utilisant uniquement leur esprit.
Malgré de nombreuses avancées, beaucoup de choses restent inconnues sur le cerveau. Pour combler cette lacune, les scientifiques américains se lancent dans un nouveau projet de cartographie du cerveau humain, annoncé par le président Barack Obama en avril, appelé l'initiative BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies).
Mais les neuroscientifiques ont du pain sur la planche. "Le cerveau est probablement la machine la plus complexe de l'univers", a déclaré Castillo. "Nous sommes encore loin de le comprendre."
