Alors que les rats couraient sur une courte poutre d’équilibre, s’arrêtant de temps en temps pour pointer leur nez vers une fontaine d’eau, leur cerveau savait que quelque chose n’allait pas.
À l’intérieur de l’hippocampe, une région du cerveau qui documente les histoires de votre vie, les neurones ont déclenché un étrange type d’onde électrique qui a envahi la région, altérant son rythme normal.
Voyez-vous, les rats couraient dans une réalité virtuelle (RV), une réalité si riche et si réaliste que les rats « adorent s’y plonger et jouer joyeusement », a déclaré le Dr Mayank R. Mehta, de l’université de Californie à Los Angeles, et auteur principal d’un nouvel article paru dans Nature Neuroscience. Et, chose étonnante, leur cerveau a réagi à la RV par une activité unique qui pourrait avoir un impact sur la façon dont nous apprenons et même traiter les troubles de la mémoire tels que la maladie d’Alzheimer.
« C’est une nouvelle technologie qui a un potentiel énorme », a déclaré Mehta. « Nous sommes entrés dans un nouveau territoire ».
Les océans électriques du cerveau
Si le cerveau est la Terre, les régions cérébrales sont des pays ou des territoires individuels.
Au sein d’une région cérébrale, les neurones forment souvent des « gouvernements » qui s’attaquent aux problèmes locaux. Par exemple, le cortex visuel comporte plusieurs couches qui traitent progressivement ce que nous voyons. Le cortex moteur contrôle la façon dont chaque partie de nos muscles bouge. L’hippocampe traite les souvenirs de l’endroit où nous nous trouvons dans l’espace, de l’endroit où nous avons laissé nos voitures et nos clés, et de questions telles que « quand ai-je vu mon téléphone pour la dernière fois ? ».
Pour que plusieurs zones cérébrales se réunissent, le cerveau a toutefois une astuce : des ondes électriques qui oscillent sur différentes régions. En tant que « diplomates neuronaux », ces ondes transportent une énorme quantité d’informations à travers le cerveau, coordonnant l’activité neuronale qui est très éloignée et s’assurant que chaque région est sur la même longueur d’onde. Les quatre principaux types d’ondes cérébrales sont divisés en fonction de la vitesse à laquelle elles oscillent, un peu comme les vagues qui s’écrasent sur le rivage en fonction des conditions météorologiques.
Vous en avez peut-être déjà entendu parler. Les ondes bêta, par exemple, dominent le cerveau lorsque vous êtes concentré et engagé. Les ondes alpha correspondent aux moments où vous vous détendez sur le canapé avec une tasse de thé bien chaude. D’autres ondes cérébrales ont été testées pour le traitement de la maladie d’Alzheimer, ce qui montre qu’elles ne sont pas seulement des ambassadrices qui relient les régions du cerveau, mais aussi des médecins sans frontières en puissance.
Mais pour les chercheurs spécialisés dans la mémoire, les ondes thêta constituent le point crucial. Il s’agit d’ondes relativement lentes qui se déclenchent dans le cerveau lorsque vous rêvassez, au beau milieu d’une course à pied ou sous la douche, l’esprit totalement détendu. Les ondes thêta, qui envahissent l’hippocampe, déclenchent dans le cerveau un état propice à un flux d’idées, comme les « pensées de la douche ». Cet état est essentiel pour notre capacité à apprendre et à mémoriser, ainsi que pour la plasticité, c’est-à-dire la capacité du cerveau à s’adapter à quelque chose d’étrange et de nouveau. Les ondes thêta fonctionnent avec d’autres ondes cérébrales pour nous aider à nous rappeler des souvenirs personnels, ce qui est souvent perdu dans la maladie d’Alzheimer.
« Si ce rythme est si important, pouvons-nous utiliser une approche nouvelle pour le rendre plus fort ? » a demandé M. Mehta. « Pouvons-nous le réaccorder ?
Entrer dans la réalité virtuelle
Qu’est-ce que la VR a à voir avec tout cela ?
Réponse : un tas de choses. Les ondes thêta envahissent souvent l’hippocampe, qui vous aide à vous souvenir de choses liées à l’espace ou à la façon dont vous vous déplacez dans un espace. C’est « pourquoi les patients atteints de la maladie d’Alzheimer ont tendance à se perdre », a déclaré M. Mehta, car les connexions avec l’hippocampe et ses neurones sont progressivement endommagées.
La RV ouvre tout un monde d’expériences, dans un espace virtuel, qui pourraient « recycler » l’hippocampe. Selon les auteurs, en exploitant les ondes thêta, nous pourrions être en mesure d’atténuer les dommages cognitifs chez les personnes atteintes de démence.
Mais tout cela n’est que théorie. La première étape a consisté à déterminer comment le cerveau réagit à la RV.
L’équipe a d’abord construit un environnement virtuel qui ressemblait le plus possible au monde réel, sans plonger dans l’étrange vallée. Et (malheureusement), non, les rats ne portaient pas de minuscules casques VR pour rongeurs. L’installation était plutôt projetée à l’intérieur d’un boîtier. Il avait une piste de 2.13 mètres avec des bandes de couleurs distinctes, et des indices de l’environnement. Pensez à un décor de maison de clowns de type Santa Cruz-Us sur la plage.
Dans une tournure intelligente, l’équipe a également construit un parc réel qui imitait complètement le monde de la RV, pour voir comment le cerveau des rats réagissait entre la RV et le monde réel.
Chez un maximum de sept rats, l’équipe a implanté un hyperdrive de près ou de plus de 1 000 électrodes, chacune beaucoup plus petite que la largeur d’un cheveu humain, des deux côtés de leur hippocampe pour surveiller l’activité électrique. Comme dans les études précédentes, l’équipe a observé des ondes thêta dans l’hippocampe lorsque les rats couraient à la fois dans la piste de RV et dans le monde réel.
Puis c’est devenu bizarre. Lorsque les rats couraient plus vite dans la RV, les rongeurs aiment bien courir, leurs hippocampes se sont mis à onduler selon un modèle particulier, deux fois plus lent que les ondes thêta normales. Les auteurs ont appelé cela une « bande eta », quelque chose de rarement vu auparavant. Eta a agi comme une sorte de FitBit interne, ne s’activant que si les rats couraient, mais disparaissant dès qu’ils passaient en mode « patate de canapé ».
Adapté à la VR
Outre les ondes Eta, les rats qui courent dans la RV ont également renforcé leurs ondes thêta par rapport à ceux qui courent dans le monde réel.
« Nous avons été époustouflés lorsque nous avons constaté l’effet considérable de l’expérience de la RV sur l’amélioration du rythme thêta », a déclaré Mehta. Pour l’une des premières fois, il semble que la RV ait provoqué un traitement dans l’hippocampe différent de ce qu’il se passe dans notre vie quotidienne.
Selon les auteurs, une idée pourrait être que la RV a des entrées sensorielles différentes de celles du monde réel. Lorsque nous explorons physiquement notre monde, nous recevons des informations de notre peau, de notre vision, de notre nez, de nos oreilles et d’une multitude d’autres sens, ce qui n’est pas le cas de la RV. Cela rend d’autant plus étrange le fait que la RV puisse stimuler les ondes thêta – et l’onde eta, plus lente – parce que dans la RV, nous dépendons principalement de la vision pour le feedback.
Mais ce qui est clair, c’est que le cerveau réagit de manière différente à la RV et au monde réel. En cherchant à comprendre pourquoi, l’équipe a découvert qu’un même neurone pouvait entretenir deux ondes cérébrales distinctes à la fois, l’onde thêta et l’onde eta. Un neurone ressemble à une betterave, avec des « racines » riches et denses pour l’entrée, un corps bulbeux et une seule branche de sortie. Les racines d’entrée sont essentielles pour les ondes thêta, mais le corps bulbeux semble favoriser les ondes eta.
« C’était vraiment époustouflant », a déclaré Mehta. « Deux parties différentes du neurone suivent leur propre rythme ».
La conclusion ? Le cerveau est bien plus complexe que nous le pensions. Une tendance dans les neurosciences est d’étudier comment les branches d’entrée ont des calculs distincts de ceux du corps du neurone, afin que nous puissions mieux comprendre et simuler nos cerveaux. Avec la RV, les auteurs sont tombés sur un outil puissant.
Outre le décodage du cerveau, la découverte des ondes Eta pourrait changer ce que nous savons des capacités d’apprentissage du cerveau. Selon les auteurs, les ondes Eta pourraient analyser l’activité de l’hippocampe en « flux parallèles de traitement de l’information ». Étant donné que ces ondes sont plus lentes que les ondes thêta typiques liées à l’apprentissage, elles pourraient potentiellement décomposer des morceaux d’apprentissage, ce qui nous permettrait d’apprendre et de mémoriser davantage dans la RV.
« La RV pourrait donc être utilisée … pour traiter les troubles de l’apprentissage et de la mémoire », ont déclaré les auteurs.
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