Josh Neudorf, candidat au doctorat à l’Université de la Saskatchewan, et son équipe de recherche utilisent une technologie informatique novatrice pour cartographier les fonctions cérébrales.
L’équipe de recherche espère que le modèle informatique de la connectivité cérébrale pourra faire gagner du temps et de l’argent au système de santé et aux centres de recherche en réduisant le nombre d’examens cérébraux des patients nécessaires.
« Le cerveau représente l’un des systèmes physiques les plus complexes de l’univers connu, et en tant que chercheurs, nous sommes en mesure d’étudier le cerveau en utilisant notre propre cerveau et les ressources informatiques avancées dont nous disposons », a déclaré Neudorf, qui poursuit son doctorat en le département de psychologie et d’études sur la santé du Collège des arts et des sciences de l’U de S.
Le cerveau utilise des axones (fibres nerveuses) pour permettre aux neurones — les cellules nerveuses — de « parler » au reste du cerveau et du corps. Neudorf a déclaré que considérer le cerveau comme un ordinateur est un excellent moyen de comprendre comment il communique.
« Si vous considérez le cerveau comme un ordinateur avec des fils reliant les différents composants, notre recherche étudie dans quelle mesure les » fils « connectant différentes régions du cerveau – appelées » connectivité structurelle « – déterminent dans quelle mesure ces régions fonctionnent ensemble », a déclaré Neudorf.
Neudorf a déclaré que le défi de l’analyse des connexions cérébrales et de la façon dont elles font fonctionner le cerveau est que toutes les régions ne sont pas directement connectées. Parfois, les régions du cerveau ne sont connectées que par une aire commune.
En règle générale, les cerveaux sont évalués à l’aide de techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Les appareils d’IRM utilisent de gros aimants et des ondes radio pour créer une image détaillée de l’activité du cerveau et de la moelle épinière.
Pour la première fois dans la recherche sur le cerveau, Neudorf et son équipe ont utilisé un modèle informatique d’apprentissage en profondeur de réseau neuronal graphique – un modèle conçu pour apprendre et prendre des décisions à partir de données – pour cartographier la connectivité cérébrale. Les travaux sont supervisés par le Dr Ron Borowsky (PhD), professeur au Collège des arts et des sciences de l’U de S et directeur du Cognitive Neuroscience Lab.
« Le type spécifique d’apprentissage en profondeur que nous avons utilisé n’a jamais été appliqué à ce problème et s’est avéré extrêmement efficace », a déclaré Neudorf. Environ 1 000 IRM cérébrales du projet Human Connectome accessible au public ont été utilisées comme données pour tirer des conclusions sur la relation entre la structure et la fonction du cerveau.
Les résultats ont conclu que les connexions indirectes entre les régions du cerveau peuvent avoir plus d’influence sur la fonction globale du cerveau qu’on ne le pensait auparavant. Il a également été noté que les régions du cerveau avec de nombreuses connexions directes peuvent déclencher des fonctions cérébrales plus complexes. Ces résultats ont été publiés dans la revue Neuroscience.
« Auparavant, les connexions structurelles dans le cerveau n’étaient pas en mesure de montrer une forte association avec les modèles de connectivité fonctionnelle. Notre recherche démontre une association plus forte que les nombreuses autres tentatives internationales au cours des dernières décennies.
Les travaux ont été publiés dans la revue Brain Structure and Function en 2021. Une autre étude de l’U of S co-dirigée par Neudorf s’est concentrée sur la façon dont la connaissance de la connectivité dans les zones cérébrales responsables du langage peut s’adapter en raison de l’épilepsie. Ce travail a été publié dans la revue Epilepsy and Behavior en 2020.
Neudorf a fait partie de 15 publications académiques pendant son séjour au laboratoire de neurosciences cognitives d’USask.
«Avec les futures améliorations et applications de cette méthode, les analyses de connectivité fonctionnelle (qui prennent de 10 minutes à une heure dans un appareil IRM) pourraient ne plus être nécessaires, car la connectivité fonctionnelle (du cerveau) pourrait être directement calculée en fonction de la connectivité structurelle.
Une autre application possible des travaux consiste à déterminer la fonctionnalité cérébrale chez les patients qui ne répondent pas, en se basant uniquement sur la structure sous-jacente du cerveau.
Neudorf a déclaré que l’équipe aimerait étendre le travail en définissant plus explicitement quels modèles de connectivité structurelle spécifiques soutiennent une plus grande fonction cérébrale.
« Au fur et à mesure que j’en apprends davantage sur le cerveau, je me rends compte qu’il y a tellement d’autres questions fascinantes qui attendent une réponse. »
La recherche a été financée par le programme de subventions à la découverte du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et les programmes de doctorat et de maîtrise des Bourses d’études supérieures du Canada du CRSNG.
Ce contenu est issu d’un partenariat entre le Saskatoon StarPhoenix et l’Université de la Saskatchewan.
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