Dans un monde où les stimuli externes et internes peuvent nous submerger et déséquilibrer l’ensemble de notre corps, comment notre cerveau se préserve-t-il d’être trop stimulé ? Cette recherche, publiée dans les Actes de l’Académie des Sciences (PNAS) nous l’explique : la réponse réside dans la capacité de notre cerveau à maintenir l’équilibre entre l’excitation neuronale (E) et l’inhibition (I), connu sous le nom de rapport E/I. En régulant le ratio E/I, le cerveau évite la surstimulation et la sous-stimulation. Cet équilibre neuronal du cerveau, mesuré par le ratio E/I s’avère associé à la maturité cérébrale et à la capacité cognitive, conclut cette équipe de neuroscientifiques de l’Université nationale de Singapour.
Le rapport E/I des enfants diminue avec un développement sain. Selon cette nouvelle recherche, les enfants ayant un rapport E/I plus faible font mieux que leurs pairs dans les tests cognitifs de mémoire et d’intelligence. Au départ, les chercheurs ont émis cette hypothèse, leurs travaux la confirment. Le rapport E/I évolue continuellement tout au long de l’enfance et de l’adolescence.
Peser le Yin et le Yang du cerveau
L’étude menée donc dans le but de valider ce lien entre le rapport E/I et la maturation cérébrale, a suivi l'évolution du rapport E/I chez de jeunes participants, par IRM cérébrale. Au total, l’étude a suivi 885 enfants, adolescents et jeunes adultes vivant aux États-Unis et 154 enfants vivant à Singapour.
Décrite comme le Yin et le Yang du cerveau, une excitation ou une inhibition neuronale, lorsqu’excessive peut être nocive et entraîner un risque plus élevé de développer des troubles cérébraux, tels que l’autisme, la maladie d’Alzheimer et la schizophrénie.
- Dans des situations moins extrêmes, une excitation neuronale trop élevée pourrait pousser à trop réfléchir dans des situations sociales, ce qui entraînerait à terme des troubles anxieux. En pratique, le Xanax, augmente l’inhibition neuronale et donc réduit l’excitation neuronale et l’anxiété.
- Dans des scénarii plus graves, une surexcitation peut provoquer une crise d’épilepsie.
- À l’opposé, une inhibition excessive indique une absence d’activité cérébrale, mettant effectivement la personne dans un état végétatif. L’inhibition est donc nécessaire pour équilibrer l’excitation.
- Dans l’ensemble, un rapport E/I équilibré est important pour le bon fonctionnement du cerveau.
Mesurer le E/I ? Si l’importance de l’E/I pour la santé du cerveau est reconnue, il est difficile de mesurer son rapport dans le cerveau humain sans recourir à des techniques invasives. Pour cette étude, l’équipe a développé une technique combinant l’intelligence artificielle et la modélisation biophysique pour évaluer les rapports E/I à partir d’analyses IRM non invasives et non radioactives. L’équipe a ensuite validé ses ratios E/I via une expérience au cours de laquelle les participants ont reçu des anxiolytiques de type Xanax- ou un placebo. L’hypothèse de l’équipe est qu’une fois le Xanax ingéré, l’inhibition augmente, de sorte que le rapport E/I global diminue. L’équipe confirme ici que les marqueurs estimés du rapport E/I sont bien réduits après la prise de Xanax, vs placebo, ce qui a permis de valider leur technique.
Le E/I diminue avec un développement sain : l’étude menée par IRM cérébrale pour suivre le développement du cerveau sur un large échantillon de plus de 1.000 enfants, adolescents et jeunes adultes, confirme que les ratios E/I diminuent avec un développement sain.
Un lien entre E/I et la capacité cognitive : afin d’établir le lien entre les ratios E/I et la fonction cognitive, l’équipe a réparti les participants en fonction de leurs scores aux tests cognitifs. L’analyse révèle que :
- les participants les plus performants ont des ratios E/I inférieurs à ceux de leurs pairs du même âge, ce qui suggère que les capacités cognitives s'améliorent à mesure que le ratio E/I diminue au cours du développement.
Quelles implications ? Cette approche permet de disposer d’un nouveau marqueur, le rartio E/I de bonne santé cérébrale vs troubles mentaux. L’équipe vise également à étudier comment le rapport E/I évolue avec le grand âge, afin de mieux comprendre les troubles neurodégénératifs, tels que la maladie d’Alzheimer.
Le professeur Thomas Yeo, neuroscientifique et l’un des auteurs principaux conclut : « Nos résultats améliorent notre compréhension du développement cérébral et mettent en évidence des pistes possibles pour mieux comprendre et détecter l'émergence de la psychopathologie chez les jeunes. Il nous faudra déterminer quels circuits cérébraux sont facilement surexcités ou surinhibés, ou identifier les régions cérébrales anormales spécifiques à chaque patient individuel. Cela pourrait éclairer davantage la façon dont les médicaments ou la stimulation cérébrale peuvent être personnalisés en fonction des patients ».
Source: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 30 May, 2024 DOI: 10.1073/pnas.2318641121 In vivo whole-cortex marker of excitation-inhibition ratio indexes cortical maturation and cognitive ability in youth
