Dans les premiers jours de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), les chercheurs ont principalement analysé la façon dont les zones du cerveau réagissaient à un stimulus, qu’il s’agisse d’une lumière, d’un bruit ou d’une sorte de tâche cognitive. Mais en tant qu’étudiant diplômé du Medical College of Wisconsin à Milwaukee, Bharat Biswal avait une demande inhabituelle de ses sujets de test IRMf: monter dans le scanner et ne rien faire.
Le réseau de mode par défaut, illustré ici dans les analyses IRMf à l’état de repos (en haut), comprend le cortex cingulaire postérieur, l’hippocampe et le cortex préfrontal médial. L’imagerie par tenseur de diffusion (inférieure), une technique d’IRM qui met en évidence la substance blanche du cerveau, révèle des fibres nerveuses reliant ces régions cérébrales (cortex cingulaire postérieur en rouge; cortex préfrontal médial en jaune; hippocampe en vert et rose). Adapté de la réf. 5, avec la permission d’Oxford University Press.
Biswal s’attendait à ce que le bavardage neuronal spontané au repos soit plus ou moins aléatoire et non structuré. Au lieu de cela, il a vu la structure, l’organisation, les corrélations entre des groupes de régions cérébrales qui étaient connues pour fonctionner ensemble. Différentes régions du système sensorimoteur du cerveau fluctuaient lentement et de manière synchrone en l’absence de tâche explicite. C’était la première étape vers l’étude de la « connectivité à l’état de repos », une approche qui promet d’aider les chercheurs à étudier l’organisation fonctionnelle du cerveau sain et anormal, en particulier chez les enfants et les autres personnes qui ne peuvent pas accomplir des tâches cognitives difficiles. (Voir Perspective page 14105.)
L’article de 1995 de Biswal, qui est maintenant reconnu comme une étude fondamentale de l’IRMf à l’état de repos, a d’abord reçu peu d’attention (1). Mais en 2001, le neuroscientifique Marcus Raichle et ses collègues de l’Université de Washington à St. Louis a suscité un intérêt généralisé pour l’approche lorsqu’ils ont décrit un réseau cérébral jusqu’alors inconnu qui semblait jouer un rôle clé dans un mode de base, ou par défaut, du cerveau (2). Contrairement aux réseaux sensorimoteurs et à plusieurs autres réseaux cérébraux, qui ont été initialement identifiés par leur activation pendant les tâches, ce réseau mystère affichait une activité de base élevée qui diminuait réellement lorsque les sujets s’engageaient dans une variété de tâches cognitives.
« Cela disait quelque chose d’important sur l’activité continue du cerveau, et le fait qu’il n’est pas seulement assis là à attendre que quelqu’un en manteau blanc vienne vous dire quoi faire », explique Raichle.
Intrigués par ce que le cerveau pourrait faire pendant des périodes soi-disant inactives, Raichle et d’autres ont commencé à explorer ce soi-disant « réseau de mode par défaut », qui semblait être impliqué dans des processus cognitifs de haut niveau, tels que la conscience de soi et la mémoire. Michael Greicius, neuroscientifique comportemental à l’Université de Stanford en Californie, a rapidement suivi les travaux de Raichle en démontrant qu’au repos, les composants individuels du réseau de mode par défaut du cerveau présentent des oscillations corrélées, tout comme Biswal l’avait vu pour le réseau sensorimoteur (3).
« Cette série d’articles a vraiment accru le profil de la recherche », explique Biswal, aujourd’hui professeur au New Jersey Institute of Technology à Newark. Les résultats suggèrent que les réseaux de régions cérébrales qui s’activent ou se désactivent ensemble pendant les tâches conservent des signatures de leur connectivité qui peuvent être détectées et étudiées même au repos. Potentiellement, cela signifiait que les neuroscientifiques seraient en mesure de cartographier le schéma de câblage de base du cerveau sans l’utilisation de tâches spécialement conçues.
L’idée a suscité un vif intérêt, mais aussi une bonne dose de scepticisme de la part de nombreux neuroscientifiques. « Cela semblait trop beau pour être vrai et trop facile », explique Greicius. « Les gens ont commencé à se demander si cela pouvait vraiment être neuronal. »
De nombreux chercheurs se sont d’abord demandé si les fluctuations rythmiques et synchronisées observées pendant l’état de repos pouvaient être des artefacts d’autres fonctions corporelles, telles que la respiration ou les battements cardiaques. Mais ces doutes se sont progressivement estompés à mesure que de plus en plus d’études se répliquaient et se développaient sur les premiers résultats. La recherche a montré que l’activité corrélée courait le long des réseaux structurels de fibres nerveuses dans le cerveau, et que la rupture chirurgicale des connexions entre les zones pouvait perturber l’activité du réseau à l’état de repos, tout suggérant que les corrélations reflétaient un aspect authentique et fondamental de la communication neuronale (4⇓ -6). La fonction précise du réseau de mode par défaut reste un sujet de débat, mais ses régions cérébrales composantes sont impliquées dans des processus tels que la pensée autoréférentielle, le traitement émotionnel et le rappel des souvenirs.
Outre les réseaux sensorimoteurs et en mode par défaut, de nombreux autres réseaux cérébraux ont maintenant été observés au repos, y compris ceux impliqués dans la vision, l’audition et la mémoire (7). Dans chacun de ces cas, les mêmes régions qui tirent ensemble pendant les tâches semblent bourdonner ensemble au repos, conservant une signature de leur organisation fonctionnelle. Les oscillations lentes et synchronisées au sein de chaque réseau — indépendantes les unes des autres — sont également remarquablement robustes, persistantes même pendant le sommeil et sous anesthésie (8, 9).
Ces dernières années, l’acceptation de l’approche a décollé. Et en 2010, lorsque les NIH ont lancé le projet Human Connectome — un effort à grande échelle de cinq ans visant à cartographier les réseaux cérébraux de plus de 1 000 personnes — l’agence a choisi l’IRMf à l’état de repos comme l’une des techniques de base du projet. « C’était un signal important du terrain dans son ensemble que la connectivité à l’état de repos est prête pour les heures de grande écoute », explique Greicius.
Avec l’IRMf à l’état de repos, les neuroscientifiques peuvent étudier l’activité cérébrale chez de jeunes enfants ou des patients qui, autrement, ne seraient pas en mesure de mener à bien de longues expériences ou d’effectuer des tâches cognitives complexes. Et contrairement à l’imagerie basée sur les tâches, qui met généralement en évidence un seul réseau cérébral associé à une tâche donnée, l’IRMf à l’état de repos permet aux chercheurs d’observer plusieurs réseaux à la fois. La simplicité de la procédure et sa durée relativement courte (prenant souvent environ 5 à 10 minutes contre 30 minutes ou plus pour de nombreuses études basées sur des tâches) ont également facilité la reproduction des expériences des autres et la comparaison des résultats.
Wei Gao, neuroscientifique au Cedars-Sinai Medical Center de Los Angeles, est l’un des nombreux chercheurs utilisant l’IRMf à l’état de repos chez des nourrissons endormis pour étudier comment les réseaux cérébraux se forment et évoluent au cours du développement. Alors que certains circuits, tels que le réseau sensorimoteur et le réseau auditif, semblent assez bien établis à la naissance, Gao a constaté que d’autres réseaux, tels que le réseau en mode par défaut, sont beaucoup plus lents à se développer (10).
« À l’âge de deux semaines, il n’y a pas de réseau de mode par défaut en soi, juste des régions du cerveau isolées », dit-il. Les résultats de Gao montrent que les régions centrales du réseau se synchronisent progressivement au cours de la première année, avec des améliorations supplémentaires se poursuivant au moins jusqu’à l’âge de deux ans (10, 11 ans). La fonction de ces changements n’est toujours pas claire; mais les résultats de Gao s’alignent sur des données psychologiques montrant que les bébés adoptent généralement des comportements d’auto-admiration et d’embarras entre 14 et 20 mois et apprennent à reconnaître leurs propres réflexions entre 20 et 24 mois (12).
L’imagerie à l’état de repos peut également fournir de nouvelles informations sur la façon dont la connectivité cérébrale tourne mal. La perturbation du réseau de mode par défaut, par exemple, a été associée à la maladie d’Alzheimer, à la dépression, à l’autisme et à la schizophrénie (13). Dans le cas de l’autisme, des études basées sur les tâches et certaines études sur l’état de repos ont également révélé des schémas anormaux « Pouvoir utiliser l’état de repos pour scanner de jeunes enfants et des personnes ayant diverses capacités est une excellente chose pour le domaine cliniquement. » – Lucina Uddin De la connectivité dans plusieurs autres réseaux, y compris ceux impliqués dans la mémoire de travail, le langage, le traitement des émotions et la cognition sociale (14).
« Nous en sommes encore aux premières phases de découverte », explique la neuroscientifique cognitive Lucina Uddin, qui étudie l’autisme chez les enfants à l’Université de Miami en Floride. L’imagerie basée sur les tâches ayant dominé le domaine pendant des décennies, il existe une pénurie de données sur les enfants et les personnes présentant des symptômes d’autisme graves, qui ne peuvent souvent pas compléter une expérience psychologique standard au scanner. « Pouvoir utiliser l’état de repos pour scanner les jeunes enfants et les personnes ayant diverses capacités est une excellente chose pour le terrain sur le plan clinique », explique Uddin.
Jusqu’à présent, les biomarqueurs de l’IRMf pour diagnostiquer les personnes autistes ou les maladies neurodégénératives se sont avérés difficiles à développer. Mais les scientifiques espèrent utiliser la connectivité à l’état de repos pour aider à améliorer les traitements des patients neuropsychiatriques qui ont déjà été diagnostiqués par d’autres moyens.
À la Harvard Medical School de Boston, dans le Massachusetts, le neurologue Michael Fox étudie les réseaux impliqués dans la stimulation cérébrale thérapeutique, un ensemble de techniques utilisées pour traiter la maladie de Parkinson, la dépression et d’autres affections. Les chercheurs n’ont encore qu’une vague compréhension de la façon dont ces techniques atténuent les symptômes neurologiques et pourquoi certains sites de stimulation sont les plus efficaces.
« Si vous voulez essayer de comprendre comment la stimulation cérébrale se propage et affecte un réseau, vous devez comprendre à quoi ressemble ce réseau », explique Fox. Une étude récente de son groupe sur la connectivité à l’état de repos suggère que différents sites de stimulation qui fonctionnent pour le même trouble appartiennent souvent au même réseau cérébral, alors que les sites inefficaces semblent ne pas être connectés (15). La découverte, dit Fox, suggère qu’à l’avenir, des cartes de connectivité à l’état de repos pourraient être utilisées pour prédire si certains sites seront efficaces chez un patient individuel ou pour localiser de nouveaux sites candidats à la stimulation.
Les applications de connectivité à l’état de repos continuent de se développer. « Je ne pense pas que j’avais prévu que plus tard, il y aurait autant d’intérêt pour ce travail », explique Biswal.
Raichle et d’autres attribuent la simplicité et la polyvalence de la technique. « Vous pouvez étudier les nouveau-nés et les regarder se développer, et vous pouvez passer à l’autre extrémité du spectre et étudier les personnes qui vieillissent et ne performent pas bien », dit-il. « Cela a vraiment ouvert la porte à l’étude de l’organisation fonctionnelle du cerveau. »