Cartographier le cervelet humain recadre les fonctions du cerveau entier

De nouvelles cartes topographiques fonctionnelles du cervelet humain pourraient changer la donne.

Source: Gracieuseté de Viking Adult

Feu mon père, Richard Bergland, MD (1932-2007) a publié The Fabric of Mind en 1986. Pour la couverture du livre, papa a insisté pour une vue en plan sagittal; il a apprécié la façon dont ce point d’observation élucide les principales régions du cerveau dans le prétendu «globe crânien». De nombreuses personnes pensent à tort que notre «cerveau» est uniquement constitué des hémisphères cérébraux gauche et droit. Par conséquent, mon père avait toujours hâte de mettre à l’honneur le cervelet, souvent oublié, et ses fonctions cérébelleuses. La vue sagittale permet de visualiser facilement où le «petit cerveau» s’intègre dans un cadre plus vaste faisant partie de la structure du cerveau entier.

Le cervelet étant connu depuis longtemps pour la coordination du minutage et de la précision des mouvements musculaires fluides, il était important pour moi de positionner les fonctions motrices cérébelleuses comme un acteur central lorsque j’ai écrit mon premier livre sur l’optimisation de la mentalité sportive et des performances sportives. Heureusement, mon père avait pris sa retraite à ce moment-là et avait le temps de m’aider à créer un modèle original de cerveau divisé destiné aux athlètes. (Pour plus d’informations, voir «Le cerveau divisé: une hypothèse en constante évolution»)

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Dans l’introduction à La voie de l’athlète: La sueur et la biologie du bonheur (2007), je donne quelques informations sur la genèse de ce modèle de cerveau divisé:

«Je dois ma carrière réussie d’athlète d’endurance à ma compréhension de la psychologie et de la neurophysiologie, mais je ne suis pas scientifique. Je suis un athlète. Bien que je n’aie pas suivi de formation scientifique, j’ai grandi avec les neurosciences car mon père est à la fois neurochirurgien et chercheur en neurosciences. Dans mon enfance, les neurosciences étaient un sujet de conversation constant et les discussions avec mon père se sont poursuivies au fil des ans. The Athlete’s Way est basé sur l’hypothèse selon laquelle l’être humain a deux cerveaux: un cerveau athlétique appelé cervelet athlétique, appelé cervelet (en latin: «petit cerveau»), et un cerveau humain pensant et raisonnant, appelé cérébrum (en latin). “cerveau”). Mon père et moi nous référons à ce modèle de cerveau comme «cerveau bas». Le cerveau haut est le cerveau, basé sur sa position au nord du centre du cerveau, à mi-chemin entre les deux cerveaux. Le cervelet est le cerveau en bas, l’hémisphère sud dans le globe crânien pour ainsi dire, basé sur sa position au sud du mi-cerveau. Les noms simples «cerveau en haut» peuvent sembler grammaticalement incorrects, mais constituent une réponse directe et convaincante au modèle du cerveau divisé en cerveau des années 1970, le «cerveau gauche-cerveau droit». J’ai inventé les nouveaux noms lors de premières conversations avec mon père au sujet du différences entre le cerveau et le cervelet, et j’aime la nouvelle terminologie pour sa simplicité. ”

En préparant la pagination de mon manuscrit, j’ai demandé au concepteur de livres de St. Martin’s Press de dédier une page entière à la carte cérébrale cérébrum-cervelet (ci-dessous) vue sagittale afin que les lecteurs puissent visualiser «de haut en bas». architecture de l’ensemble du cerveau. Cette tranche de cerveau provient du laboratoire de recherche de mon père et reflète dans une certaine mesure la couverture du livre The Fabric of Mind .

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Cette carte cérébrale illustre les premières incarnations du «modèle de cerveau divisé de Bergland» et décrit divers rôles hypothétiques que chaque région cérébrale pourrait jouer dans un système de cortex cérébelleux-cérébral interconnecté. (Tiré de la page 81 de «La voie de l’athlète: la sueur et la biologie du bonheur».)

Source: Photo et mise en page de Christopher Bergland (Circa 2007)

Avec le recul, ma carte cérébrale (ci-dessus) est hypothétiquement embarrassante et maladroite. Mais ses inexactitudes et ses généralisations ont une finalité historique: la raison pour laquelle je vous les partage ici est pour illustrer pourquoi je suis tellement excitée par le design élégant et les détails époustouflants des dernières cartes de cervelet humain créées. par Xavier Guell au MIT avec Jeremy Schmahmann au Massachusetts General Hospital de Harvard, Catherine Stoodley à la American University et leurs collègues.

Cela dit, avant de plonger dans la neuroscience fondamentale des dernières cartes du cervelet, il y a une histoire narrative à la première personne et une carte cérébrale faite maison que je souhaite partager avec vous dans le cadre d’une chronologie qui place leur travail pionnier dans son contexte.

Après la mort de mon père en 2007, j’ai juré de garder mes antennes levées pour toute nouvelle recherche sur le cervelet et de faire de mon mieux pour tenter de résoudre cette énigme posée en disant: «Nous ne savons pas exactement ce que le cervelet fait. Mais quoi qu’il en soit, il en fait beaucoup.

Parce que je ne fais pas partie du monde universitaire et que je n’appartiens pas à une communauté scientifique, la plupart de mes idées novatrices sur le cervelet sont basées sur l’observation anecdotique et sur l’expérience de vie associées à un fouillis de preuves empiriques. L’une de ces observations clés était le lien entre les activités motrices bipèdes et la pensée créatrice. Par exemple, Albert Einstein a déclaré à propos de E = mc²: «J’y pensais en faisant du vélo.» De plus, d’innombrables écrivains et penseurs visionnaires à travers l’histoire ont fait de la marche quotidienne une partie intégrante de leur processus de création. Dans mon esprit, il a toujours semblé que le cervelet devait en quelque sorte être impliqué dans le phénomène de l’activité motrice facilitant la pensée divergente et l’ eureka! des moments.

En tant que triathlète devenue écrivain après avoir pris sa retraite de la compétition sportive à l’âge mûr, je savais d’expérience que courir, faire du vélo et de la natation m’avaient aidé à traiter le langage de manière plus fluide. Chaque fois que je travaillais, des phrases et des combinaisons de mots variées de ce que j’écrivais comme un brouillon ce jour-là semblaient se transformer en conscience, à la manière d’un organigramme. De plus, chaque fois que j’étais dans un état de rêverie pendant un exercice d’aérobic, je me retrouvais à associer des idées en apparence sans lien entre elles d’une manière qui ne m’arrivait pas quand j’étais assis immobile à mon bureau et qui ne participait pas à une forme modérée à vigoureuse. activité physique. (Pour plus d’informations, voir «La neuroscience de l’imagination».)

Un jour, en 2009 (avec toutes ces idées sur un lien possible entre la fonction cérébelleuse et les «origines de l’imagination» qui flottaient dans ma tête), je suis tombé sur une amie poète nommée Maria dans la rue. Au cours de notre conversation sur le lien mystérieux entre percées créatives et tâches motrices bipèdes, elle a déclaré: «Chaque fois que je commence à bouger les bras et les jambes de mon vélo elliptique, de la poésie jaillit de moi.» Soudain, quelques millièmes de secondes plus tard, Maria prononçait ces mots. , J’ai eu un ” aha! ”Moment et visualisé une carte du cerveau qui montre simultanément les deux hémisphères du cerveau et les deux hémisphères du cervelet d’une vue à vol d’oiseau écrasé sur un plan. Je me suis donc précipité à la maison et ai dessiné la carte que vous voyez ci-dessous aussi rapidement que possible. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une vue sagittale, le spectateur a pu voir simultanément les deux hémisphères du cerveau et les deux hémisphères du cervelet dans le cadre de notre architecture cérébrale. (Pour plus d’informations, reportez-vous à la section «Les circuits cérébro-cérébelleux nous rappellent: savoir n’est pas suffisant».)

Cette carte cérébrale topographique des circuits «cérébro-cérébelleux» illustre l’importance d’optimiser la connectivité fonctionnelle controlatérale entre les deux hémisphères cérébraux et les deux hémisphères cérébelleux.

Source: Photo et illustration de Christopher Bergland (Circa 2009).

L’essentiel de la carte du cerveau entier ci-dessus a été inspiré par mon hypothèse basée sur l’expérience selon laquelle des pensées et des idées pourraient se greffer sur les réseaux de connectivité fonctionnelle des boucles de feedforward et de feed-back entre les quatre hémisphères cérébraux lors d’activités motrices aérobies.

Bien que j’aie dessiné cette carte en 2009, je ne savais absolument pas qu’en même temps, Jeremy Schmahmann et Catherine Stoodley venaient de publier ce qui allait devenir un document phare, «La topographie fonctionnelle dans le cervelet humain: méta-analyse de la neuroimagerie Studies “(2009), suivi en 2010 de son article” Preuves relatives à l’organisation topographique dans le cervelet du contrôle moteur par rapport au traitement cognitif et affectif “.

Sous le prisme de cartes révolutionnaires du cervelet humain, les derniers mois ont été potentiellement bouleversants. Premièrement, le plus récent «Manuel de neurologie clinique» (volume 154, 3e série) comprend la cartographie du cervelet de Stoodley et Schmahmann: «Chapitre quatre – Topographie fonctionnelle du cervelet humain», publiée en ligne le 11 juin 2018.

Les auteurs résument l’importance de ces cartes cérébrales dans l’abrégé de l’étude: «Les données accumulées montrent que le cervelet humain joue un rôle crucial dans les comportements moteurs et non moteurs. Un principe fondamental de cette nouvelle compréhension de la fonction cérébelleuse est l’existence de sous-régions fonctionnelles dans le cervelet qui soutiennent différentiellement les comportements moteur, cognitif et affectif. L’existence d’une topographie fonctionnelle et fonctionnelle cérébelleuse fournit le substrat anatomique critique pour un rôle cérébelleux dans les fonctions motrices et non motrices. Il établit également un cadre pour l’interprétation des schémas d’activation cérébelleuse, des résultats cognitifs et comportementaux à la suite d’une lésion cérébelleuse, ainsi que des différences structurelles et fonctionnelles cérébelleuses rapportées dans une gamme de troubles neurodéveloppementaux et neuropsychiatriques ».

Légende de la photo de @MIINDLinkFound sur Twitter, 10 juillet 2018: «Nouveau volume sur le cervelet par les collègues Mario Manto (Belgique) et Thierry Huisman (Baltimore). Grand alignement de chapitres. C’est bien d’écrire à nouveau avec Catherine Stoodley (American University), ex-post-doctorante, sur la topographie fonctionnelle cérébelleuse. ”

Source: Capture d’écran de Christopher Bergland (Image de @MINDlinkFound du chapitre 4 de «The Handbook of Neurology», Volume 154, série 3).

La publication d’un article de Xavier Guell, John Gabrieli et Jeremy Schmahmann intitulée «Triple représentation du langage, de la mémoire de travail, du traitement social et du traitement des émotions dans le cervelet: données probantes convergentes issues de la tâche et de la graine» est un autre jalon récent dans la cartographie du cervelet. Analyses IRMf reposant sur l’état de repos dans une seule et grande cohorte. »Cet article faisait la couverture du numéro de mai 2018 de NeuroImage, présenté ci-dessous.

Les auteurs résument l’importance de cet article dans le résumé de l’étude: «Conformément aux études précédentes, il existait deux représentations distinctes de l’activation motrice. Trois représentations distinctes pour la mémoire de travail, le langage, le traitement des tâches sociales et les tâches émotionnelles ont été récemment révélées, qui ont été largement séparées pour ces quatre domaines cognitif et affectif. Dans la plupart des cas, les activations basées sur les tâches et les corrélations correspondantes du réseau de repos étaient cohérentes pour identifier les deux représentations motrices et les trois représentations non motrices propres à la mémoire de travail, au langage, à la cognition sociale et à l’émotion. ”

Une carte du cerveau de cervelet réalisée par Xavier Guell et ses collègues a été présentée sur la couverture de NeuroImage en mai 2018.

Source: NeuroImage / Elsevier (Volume 172, 15 mai 2018)

Dans un article du MIT News publié en juillet 2018, «Charting the Cerebellum», Xavier Guell, premier auteur de l’Institut de recherche sur le cerveau McGovern du MIT, décrit la cartographie de pointe de son équipe des fonctions motrices et non motrices dans le cervelet, «Neuroscientists dans les années 1940 et 1950, a décrit une double représentation de la fonction motrice dans le cervelet, ce qui signifie que deux régions de chaque hémisphère du cervelet sont sous contrôle moteur. L’existence de deux zones de représentation motrice dans le cervelet reste l’un des faits les mieux établis de la physiologie cérébrale à l’échelle macroscopique. Notre étude confirme l’idée intriguante selon laquelle deux parties du cervelet sont simultanément engagées dans des tâches motrices, tandis que trois autres parties du cervelet sont simultanément engagées dans des tâches non motrices. Nos prédécesseurs ont inventé le terme «double représentation motrice» et nous devrons peut-être maintenant ajouter «triple représentation non motrice» au dictionnaire des neurosciences cérébelleuses ».

Guell a participé à une autre étude récente qui montre comment une connectivité fonctionnelle perturbée entre le cervelet et le cerveau peut être liée à des troubles du spectre de l’autisme très performants. Cette recherche a été dirigée par Sheeba Arnold Anteraper (également de l’Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau au MIT) et publiée en ligne avant impression le 31 juillet 2018 dans la revue Brain Connectivity .

Anteraper et al. Expliquez l’importance de cette recherche dans la conclusion de l’article: «La description des anomalies de la connectivité fonctionnelle rapportée dans cette étude à l’aide d’analyses basées sur des données complètes et sur le cerveau a le potentiel d’avancer de manière décisive dans le développement de biomarqueurs de TSA, de cibles d’interventions thérapeutiques et de neurones. prédicteurs pour mesurer la réponse au traitement. ”

En outre, les auteurs ont déclaré: «Les résultats de cette étude appuient l’implication cérébelleuse dans les TSA et suggèrent ainsi une position potentiellement pertinente de« Dysmetria of Thought »en tant que cadre conceptuel pour de futures études portant sur la nature de la symptomatologie des TSA en psychiatrie. Selon cette théorie, les symptômes moteurs, cognitifs et affectifs résultant d’anomalies cérébelleuses sont le reflet d’un dysfonctionnement neurologique singulier. Au niveau physiologique, Dysmetria of Thought repose sur le concept de transformation cérébelleuse universelle, qui suppose qu’un processus neurologique unique permet la modulation cérébelleuse du mouvement, de la pensée et de l’émotion (Schmahmann, 1991, 1996; Schmahmann, 2010); voir aussi une revue récente dans Guell et al. (2018a). ”

Enfin, le 14 août 2018, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et du Massachusetts General Hospital, de la Harvard Medical School (comprenant Xavier Guell, Jeremy Schmahmann, John Gabrieli et Satrajit Ghosh) a publié un article intitulé «Gradients fonctionnels du cervelet: un principe fondamental du mouvement vers la pensée».

Encore une fois, Guell et al. soulignez l’importance de leur nouvelle hypothèse radicale de «triple représentation non motrice»: «C’est la première étude qui examine l’organisation progressive et hiérarchique du cervelet. Contrairement à l’organisation hiérarchique fondamentale et bien établie primaire-unimodale-transmodale dans le cortex cérébral (Mesulam, 1998, 2008), le principal axe de l’organisation motrice et non motrice cérébelleuse reste inconnu. Nous décrivons pour la première fois que les régions fonctionnelles cérébelleuses suivent une organisation progressive allant des régions primaires (motrices) aux régions transmodales (DMN, non focalisées par tâches). De plus, la relation entre les deux gradients principaux et les deux zones de représentation motrices et les trois zones de représentation non motrices a révélé pour la première fois qu’il existe des différences fonctionnelles non seulement entre les deux zones motrices mais également entre les trois zones de représentation non motrices. Une première hypothèse originale concernant la nature de ces différences est générée en notant que le traitement sans moteur dans les lobules IX / X (troisième représentation non moteur) pourrait partager des similitudes fonctionnelles avec le traitement moteur dans le lobule VIII (deuxième représentation motrice). ”

En terminant, vous trouverez ci-dessous deux des dernières cartes du cervelet de Guell et al. (2018) avec des gradients fonctionnels. À mon avis, les informations contenues sur ces cartes modifient notre vision du monde des fonctions du cerveau entier de manière à améliorer potentiellement la vie et à aider les personnes de tous les horizons à optimiser leur plein potentiel.

Figure un

Gradients de cervelet et relation avec les cartes d’activité de tâche discrète (de Guell et al., 2018a) et les cartes d’état de repos (de Buckner et al., 2011)

Source: Xavier Guell et al./eLife 2018 (Creative Commons)

Figure deux

Gradient 1 étendu de la tâche linguistique / DMN aux régions motrices. Gradient 2 zones de mémoire de travail / réseau frontopariétal isolées. (A) Atlas du cervelet flatmap et les gradients 1 et 2. (B) Un diagramme de dispersion des deux premiers gradients. Chaque point correspond à un voxel cérébelleux, la position de chaque point le long des axes x et y correspond à la position le long des gradients 1 et 2 pour le voxel cérébelleux et la couleur du point correspond à l’activité de la tâche (en haut) ou au réseau à l’état de repos (en bas). ) associé à ce voxel particulier.

Source: Xavier Guell et al./eLife 2018 (Creative Commons)

Références

Catherine J. Stoodley et Jeremy D. Schmahmann. «Topographie fonctionnelle dans le cervelet humain: une méta-analyse d’études de neuroimagerie.» NeuroImage (première publication: janvier 2009) DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2008.08.039

Catherine J. Stoodley et Jeremy D. Schmahmann. «Preuves relatives à l’organisation topographique du cervelet du contrôle moteur par rapport au traitement cognitif et affectif.» Cortex (première publication: janvier 2010) DOI: 10.1016 / j.cortex.2009.11.008

Randy L. Buckner, Fenna M. Krienen, Angela Castellanos, Julio C. Diaz et BT Thomas Yeo. «L’organisation du cervelet humain estimée par la connectivité fonctionnelle intrinsèque.» Journal of Neurophysiology (Première publication: le 1er novembre 2011) DOI: 10.1152 / jn.00339.2011

Catherine J. Stoodley et Jeremy D. Schmahmann. «Chapitre 4 – Topographie fonctionnelle du cervelet humain». Manuel de neurologie clinique (disponible en ligne le 11 juin 2018) DOI: 10.1016 / B978-0-444-63956-1.00004-7

Xavier Guell, John Gabrieli et Jeremy Schmahmann. «Triple représentation du langage, de la mémoire de travail, du traitement social et des émotions dans le cervelet: données convergentes issues d’analyses IRMf à tâche et à état de repos reposant sur les semences dans une seule et grande cohorte.» NeuroImage ( Mise en ligne: 2 février 2018). DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2018.01.082

Sheeba Arnold Anteraper, Xavier Guell, Anila D’Mello, Neha Joshi, Susan Whitfield-Gabrieli et Gagan Joshi. «Disruption de la connectivité fonctionnelle intrinsèque cérébrocérébelleuse chez de jeunes adultes atteints d’un trouble du spectre autistique au fonctionnement élevé: étude basée sur des données, cerveau, cerveau entier et résolution temporelle élevée.» : 10.1089 / brain.2018.0581

Xavier Guell, Jeremy D. Schmahmann, John DE Gabrieli, Satrajit S. Ghosh. «Gradients fonctionnels du cervelet». ELife (première publication: le 14 août 2018) DOI: 10.7554 / eLife.36652