À ma tendre épouse Shizue,
et à mes filles Michelle et Alyson

Première partie

L’ESPRIT ET LA CONSCIENCE

Mon postulat fondamental à propos du cerveau est que son fonctionnement – ce que nous appelons parfois « l’esprit » – est une conséquence de l’anatomie et de la physiologie de celui-ci, et rien de plus.

Carl Sagan (astronome américain, auteur de nombreux ouvrages de vulgarisation scientifique ou de science-fiction, NdTr.)

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À la découverte du cerveau

En 1848, Phineas Gage travaillait en tant que contremaître d’une compagnie de voies ferrées dans le Vermont, lorsqu’à la suite de l’explosion accidentelle d’un bâton de dynamite, une barre à mine en fer longue d’un mètre (et dont le diamètre dépassait trois centimètres) fut violemment projetée vers son visage et pénétra son cerveau du côté frontal pour ressortir par le haut du crâne et retomber sur le sol près de vingt-cinq mètres plus loin. Ses collègues, affolés de voir qu’une partie du cerveau de leur contremaître avait été arrachée, appelèrent immédiatement un médecin. Et à la stupéfaction des ouvriers (et même du médecin), monsieur Gage ne mourut pas sur les lieux de son accident.

En fait, il resta à demi conscient pendant plusieurs semaines6 et, finalement, sembla se rétablir complètement. [Une photographie assez rare (il s’agissait en réalité d’un daguerréotype, NdTr.) fit son apparition en 2009, montrant un bel homme, assuré, avec une blessure à la tête et un ptôsis au niveau de l’œil gauche, tenant dans ses mains la fameuse barre de fer.] Cependant, après cet accident, ses collègues remarquèrent une modification progressive de sa personnalité. Du contremaître enjoué et serviable qu’il était, Gage se montra violent, agressif et égocentrique. On conseillait aux dames de se tenir à l’écart de lui. Son médecin traitant, le docteur John Harlow7, constata que Gage était devenu « capricieux et hésitant, planifiant diverses interventions futures qui, à peine décidées, étaient annulées au profit d’autres actes chirurgicaux lui paraissant plus acceptables. Sa démarche et ses capacités intellectuelles étaient celles d’un enfant, alors qu’il faisait preuve des passions animales d’un homme énergique. » Le docteur Harlow nota qu’il avait « radicalement changé » et que ses collègues disaient qu’il « n’était plus le même Gage ». Après la mort de Gage en 1860, le docteur Harlow conserva à la fois le crâne de Gage et la barre de fer qui l’avait transpercé. Des radiographies détaillées aux rayons X de ce crâne ont entre-temps confirmé que cette barre de fer a bel et bien occasionné une destruction massive de la zone cérébrale qui se situe derrière le front (ce qu’on appelle le lobe frontal) et ce, tant dans l’hémisphère cérébral gauche que le droit.

Cet accident incroyable ne perturba pas seulement la vie de Phineas Gage, car il modifia également l’évolution de la science. Jusqu’alors, la plupart des gens pensaient que le cerveau et l’âme étaient deux entités séparées, une sorte de dualisme selon les philosophes. Or, on venait de s’apercevoir que, manifestement, les dommages que Gage avait subis au niveau du lobe frontal de son cerveau s’étaient traduits par des modifications brutales de sa personnalité. Ceci, à son tour, fut à l’origine d’un changement radical de la manière de concevoir la réflexion scientifique : il s’avère peut-être indispensable d’établir une corrélation entre divers comportements particuliers et des zones cérébrales précises.

Le cerveau selon Broca

En 1861, soit durant l’année qui suivit le décès de Gage, ce point de vue fut corroboré par les travaux de Paul Pierre Broca, un médecin parisien qui décrivit un patient qui semblait assez normal, hormis le fait qu’il présentait de sévères troubles du langage. Ce malade comprenait parfaitement ce qu’on lui disait, mais il ne pouvait prononcer qu’une seule syllabe, à savoir celle qui correspondait au mot « Tan » (qu’il prononçait généralement deux fois de suite, d’où son surnom, « monsieur Tan-Tan, NdTr.). Après le décès de ce patient, l’autopsie pratiquée par le docteur Broca confirma qu’il souffrait d’une lésion située dans son lobe temporal gauche, c’est-à-dire dans une région cérébrale proche de son oreille gauche. Par la suite, Broca confirmera douze cas de pathologies similaires impliquant cette zone précise du cerveau. Actuellement, on dit des personnes qui ont subi des dommages dans le lobe temporal, habituellement dans l’hémisphère gauche, qu’elles souffrent d’une aphasie de Broca. (En général, les patients atteints de cette affection sont capables de comprendre ce qu’on leur dit, mais sont incapables de dire quoi que ce soit, ou bien ils escamotent pas mal de mots dans les phrases qu’ils tentent d’exprimer.)

Quelques années plus tard, en 1874, un médecin allemand, Carl Wernicke, décrivit des patients qui étaient atteints d’une pathologie inverse. Ceux-ci étaient capables de prononcer les mots distinctement, mais ne pouvaient pas comprendre les discours écrits ou le langage parlé. Bien souvent, ces malades parvenaient à parler avec aisance, selon une grammaire et une syntaxe impeccables, mais avec des mots absurdes et dans un charabia vide de sens. Malheureusement, ces personnes ignoraient le plus souvent qu’elles parlaient aussi mal. Après avoir pratiqué diverses autopsies, Wernicke confirma que ces patients avaient souffert de lésions au niveau d’une zone légèrement différente du lobe temporal gauche.

Les travaux de Broca et de Wernicke apportèrent des résultats décisifs pour les neurosciences, du fait qu’ils permirent d’établir un lien concret entre des problèmes comportementaux, comme des troubles de la parole et du langage, et des lésions à des endroits précis du cerveau.

Une autre percée survint dans le contexte du chaos des guerres. Tout au long de l’histoire, de nombreux tabous religieux interdisaient de disséquer des corps humains, ce qui limitait fortement tout progrès dans le domaine de la médecine. Toutefois, en temps de guerre, avec des dizaines de milliers de soldats ensanglantés mourant sur le champ de bataille, les médecins ressentirent la nécessité urgente de mettre au point un traitement qui soit efficace. Ainsi, lors de la seconde guerre prusso-danoise de 1864, le médecin allemand Gustav Fritsch traita de nombreux soldats présentant des plaies cérébrales béantes. Et il constata par hasard que lorsqu’il touchait un hémisphère particulier du cerveau, bien souvent le côté opposé du corps tressautait. Par la suite, Fritsch démontra systématiquement que, lorsqu’il stimulait électriquement le cerveau, l’hémisphère gauche contrôlait le côté droit du corps, et vice versa. Il s’agissait là d’une découverte remarquable, prouvant que le cerveau était essentiellement un organe de nature électrique et que toute région particulière de celui-ci assure le contrôle d’une zone précise située de l’autre côté du corps. (Très curieusement, l’emploi de l’électricité pour soigner le cerveau fut déjà signalé par les Romains il y a environ deux mille ans. Ainsi, en l’an 43 après Jésus-Christ, il semble8 que le médecin personnel de l’empereur Claude se soit servi d’un poisson produisant des décharges électriques, en l’occurrence une torpille, pour traiter la tête d’un patient souffrant de violentes céphalées.)

Cependant, le fait que des voies électriques devaient connecter le cerveau aux diverses parties du corps ne fut systématiquement analysé que dans les années 1930, lorsque le docteur Wilder Penfield se mit à étudier des patients épileptiques qui présentaient régulièrement des convulsions débilitantes, bref des crises potentiellement mortelles. Pour ceux-ci, une intervention chirurgicale représentait la dernière chance. Il s’agissait d’ôter certains os de la partie supérieure du crâne, ce qui mettait le cerveau à nu. (Étant donné que le cerveau n’est pas doté de senseurs de la douleur, le patient peut être maintenu conscient durant toute la durée de l’opération, de sorte que le docteur Penfield ne dut avoir recours qu’à une anesthésie locale.)

Figure 1. Voici le plan du cortex moteur, tel qu’il fut représenté par le docteur Wilder Penfield, indiquant les régions cérébrales particulières qui contrôlent des parties spécifiques du corps humain.

Et ce médecin remarqua que lorsqu’il stimulait certaines parties du cortex à l’aide d’une électrode, des parties différentes du corps répondaient. Il comprit soudainement qu’il pouvait établir une correspondance quasi parfaite entre des régions particulières du cortex et d’autres propres au corps humain. Ses esquisses étaient si précises qu’on les emploie encore toujours aujourd’hui pratiquement telles qu’il les avait dessinées. Elles eurent un impact immédiat tant vis-à-vis de la communauté scientifique que parmi le grand public. Sur l’une de celles-ci, vous pouviez découvrir quelle région du cerveau a pour rôle de contrôler tel organe précis, et à quel point cette fonction revêt de l’importance. Par exemple, étant donné que nos mains et notre bouche sont des organes si importants dans le cadre de notre survie, une quantité considérable de puissance cérébrale est vouée à leur contrôle, tandis que les senseurs situés sur notre dos sont à peine représentés.

Qui plus est, Penfield remarqua qu’en stimulant certaines zones du lobe temporal, ses patients revivaient soudainement, et avec une clarté limpide, des souvenirs oubliés depuis bien longtemps. Un jour, il fut surpris durant une opération du cerveau d’entendre un patient s’écrier, « C’est comme si je me trouvais devant le portail de mon collège9… et j’entendais ma mère parler au téléphone, demandant à ma tante si elle pouvait venir à la maison ce soir. » Penfield comprit qu’il venait de toucher des souvenirs profondément enfouis dans le cerveau. En 1951, la publication de ses résultats déclencha une nouvelle transformation de l’idée que l’on se faisait du cerveau.

Une carte du cerveau

Dans les années 1950 et 1960, il devint possible de créer une carte grossière du cerveau, sur laquelle différentes régions étaient localisées et à propos desquelles le rôle fonctionnel avait même parfois été identifié.

Dans la figure 2, on aperçoit le néocortex, qui correspond à la couche externe du cerveau et qui est divisé en quatre lobes. Il est très développé chez les êtres humains. Mis à part le lobe frontal (situé derrière le front), tous les lobes du cerveau ont pour mission de traiter les signaux en provenance de nos cinq sens. Le cortex préfrontal, qui correspond à la partie antérieure du lobe frontal, est l’endroit où la plupart de nos pensées rationnelles sont élaborées. L’information dont vous prenez connaissance en ce moment précis de votre lecture est analysée dans votre cortex préfrontal. Toute lésion dans cette zone peut perturber votre aptitude à planifier ou à envisager le futur, comme c’était le cas pour Phineas Gage. Il s’agit de la région cérébrale où l’information en provenance de nos sens est évaluée et où le déroulement d’une action future est programmé.

Figure 2. Les quatre lobes du néocortex cérébral sont responsables de fonctions différentes, mais néanmoins apparentées.

Le lobe pariétal est situé dans la partie supérieure et arrière de notre cerveau. L’hémisphère droit contrôle l’attention sensorielle et la perception du corps, tandis que le gauche se charge des mouvements exigeant de la dextérité ainsi que de certains aspects du langage. Des lésions au niveau de ces lobes peuvent occasionner de nombreux problèmes, parmi lesquels notamment une difficulté dans la localisation de certaines parties de son propre corps.

Le lobe occipital, qui est situé tout à fait à l’arrière du cerveau, a pour mission de traiter les informations visuelles en provenance des yeux. Toute lésion dans cette zone peut entraîner des troubles visuels, voire une cécité.

Quant au lobe temporal, situé dans la partie latérale et inférieure du cerveau, il contrôle le langage (uniquement le côté gauche), de même que la reconnaissance visuelle des visages et certains sentiments émotifs. Des lésions de ce lobe peuvent rendre la personne muette ou faire en sorte qu’elle soit incapable de reconnaître des visages familiers.

L’évolution du cerveau

La plupart des autres organes que comprend notre corps, tels nos muscles, nos os et nos poumons, ont une raison d’être qui saute immédiatement aux yeux. En revanche, la structure du cerveau semble avoir été bâclée d’une façon assez chaotique. De ce fait, les tentatives visant à identifier la logique des connexions anatomiques du cerveau ont toujours été considérées comme des « relevés cartographiques de sots ».

En vue de donner un sens à l’architecture apparemment aléatoire du cerveau, le docteur Paul MacLean, du National Institute of Mental Health, appliqua en 1967 la théorie de l’évolution (de Charles Darwin) au cerveau. Et il divisa le cerveau en trois parts. (Depuis lors, des études ont démontré que ce modèle devait être peaufiné, mais nous garderons ce schéma initial en tant que principe organisateur général permettant de justifier l’architecture globale du cerveau.) Tout d’abord, il remarqua que la partie arrière et centrale de nos cerveaux, qui contient le tronc cérébral, le cervelet ainsi que les ganglions de la base, correspond assez bien aux cerveaux des reptiles. Mieux connu sous le nom de « cerveau reptilien », il s’agit là des structures les plus anciennes du cerveau. Celles-ci assurent la régulation des fonctions animales fondamentales, comme l’équilibre, la respiration, la digestion, le rythme cardiaque et la tension artérielle. Elles contrôlent également des comportements tels que l’agressivité, la prédation, l’accouplement et la territorialité, bref toutes sortes d’attitudes qui s’avèrent nécessaires à la survie et à la reproduction des individus. Le cerveau reptilien remonte à environ 500 millions d’années (voir figure 3).

Par ailleurs, lorsque les reptiles évoluèrent vers les mammifères, le cerveau devint également plus complexe, en se développant vers l’extérieur et en créant des structures entièrement nouvelles. Cette fois, on découvre le « cerveau mammalien », c’est-à-dire le « système limbique », lequel est localisé près du centre cérébral tout en entourant certaines parties du cerveau reptilien. Le système limbique est particulièrement représenté parmi les animaux qui mènent une vie sociale, comme les singes. Il contient également des structures qui sont impliquées dans les émotions. Face à la complexité parfois délicate de la dynamique propre à un groupe social, le système limbique est essentiel pour faire le tri des alliés et ennemis, voire des rivaux potentiels.

Figure 3. L’aspect historique de l’évolution du cerveau, avec le cerveau reptilien, le cerveau mammalien (le système limbique) et le cerveau humain (le néocortex). Grosso modo, on peut affirmer que notre cerveau a évolué depuis le cerveau reptilien vers le cerveau humain, en passant par le cerveau mammalien.

Les différentes parties du système limbique qui interviennent de façon déterminante dans le contrôle des comportements propres aux animaux vivant en groupe sont :

L’hippocampe. Ceci est la voie d’accès vers la mémoire, où les souvenirs à court terme sont transformés en souvenirs à long terme. Son aspect étrange rappelle celui d’un « cheval marin », d’où son nom. Des lésions au niveau de l’hippocampe perturberont l’aptitude à stocker de nouveaux souvenirs à long terme. La personne atteinte deviendra prisonnière du temps présent.

L’amygdale. Ici siègent les émotions, en particulier la peur. Les émotions y sont enregistrées pour la première fois avant de se concrétiser. Ce mot signifie « amande ».

Le thalamus. Il s’agit en somme d’une station de relais, recueillant les signaux sensoriels en provenance du tronc cérébral avant de les renvoyer vers les diverses aires corticales. Ce nom signifie en grec « chambre intérieure ».

L’hypothalamus. Cette région contrôle la température corporelle, notre rythme circadien, la faim, la soif, ainsi que certains aspects liés à la reproduction et au plaisir. Il se situe en dessous du thalamus, d’où son nom.

Enfin, il y a encore une troisième région, la plus récente, contiguë au cerveau mammalien, en l’occurrence le cortex cérébral, qui constitue la partie la plus externe du cerveau. Et la toute dernière structure évolutive que l’on retrouve au sein du cortex cérébral est le néocortex (ce qui signifie « nouvelle écorce »), dont le rôle est de réguler les comportements cognitifs supérieurs. Ce néocortex est particulièrement développé chez les êtres humains : il représente 80 % de la masse cérébrale, alors que son épaisseur ne dépasse guère celle d’une serviette de table. Chez les rats, ce néocortex est lisse, alors que dans le cerveau d’un homme, il se présente sous forme de nombreuses circonvolutions, c’est-à-dire de replis sinueux qui permettent de disposer d’une grande surface à l’intérieur de la boîte crânienne.

Dans un sens, le cerveau humain ressemble à un musée qui contient des vestiges de toutes les étapes antérieures de notre évolution, lesquelles se sont développées sur des millions d’années tant du point de vue spatial (vers l’avant et vers l’extérieur) que fonctionnel. (Ceci correspond également, grosso modo, aux modalités du développement cérébral des bébés. Leur cerveau s’agrandit vers le front et vers l’extérieur, en reproduisant probablement les diverses étapes de notre évolution.)

Et, s’il est bien vrai que le néocortex semble discret, les apparences sont trompeuses. Lorsqu’on l’examine à l’aide d’un microscope, on se rend compte à quel point l’architecture du cerveau est complexe. Sa matière grise est constituée de milliards de minuscules cellules nerveuses qu’on appelle des neurones. Au même titre qu’un gigantesque réseau téléphonique, ces neurones reçoivent des messages en provenance d’autres neurones via leurs dendrites, ressemblant en somme à des vrilles de plantes grimpantes émanant d’un côté précis du corps cellulaire. À l’autre extrémité de chaque neurone, on constate la présence d’une longue fibre nerveuse, l’axone, dont le rôle consiste en fait à se connecter à d’autres neurones (parfois jusqu’à dix mille !) grâce à leurs dendrites. Au point de rencontre entre l’extrémité axonique et un dendrite, il existe un tout petit espace qu’on appelle une synapse. Ces synapses agissent comme des portes, qui régulent la dispersion des informations au sein du cerveau. Des substances chimiques particulières, appelées des neurotransmetteurs, peuvent traverser la fente synaptique et modifier la transmission des signaux. C’est ainsi que des neurotransmetteurs tels que la dopamine, la sérotonine et la noradrénaline permettent de contrôler la filière des informations qui circulent dans les innombrables voies cérébrales, ce qui se traduit par de puissants effets sur notre humeur, nos émotions et nos pensées, bref sur notre état d’esprit (voir figure 4).

La description précédente du cerveau représente, grosso modo, l’état des connaissances acquises jusque dans les années 1980. Mais en fait, dans les années 1990, grâce à l’avènement de nouvelles technologies issues des avancées dans le domaine de la physique, les mécanismes de nos pensées furent peu à peu dévoilés avec des détails très intéressants, ce qui déclencha l’avalanche actuelle de découvertes scientifiques. L’une des bêtes de somme de cette révolution a été sans conteste l’appareil d’IRM.

Figure 4. Représentation schématique d’un neurone. Les signaux électriques circulent tout au long de l’axone jusqu’à ce qu’ils atteignent les boutons synaptiques. Au-delà de ceux-ci, ce sont des neurotransmetteurs qui sont appelés à réguler le flux des signaux électriques.

L’IRM : une fenêtre sur le cerveau

Afin de comprendre la raison pour laquelle cette nouvelle technologie révolutionnaire a permis de lever le voile sur le cerveau pensant, il est indispensable de nous replonger dans certains principes fondamentaux de la physique.

Les ondes radio, c’est-à-dire une variété de rayonnement électromagnétique, sont capables de traverser des tissus vivants sans occasionner de dommages. Les appareils d’IRM mettent à profit cette propriété, en permettant à des ondes électromagnétiques de traverser librement la boîte crânienne. Cela étant, cette technologie a pu nous fournir des images superbes de ce qu’on pensait jadis impossible à obtenir, en l’occurrence le fonctionnement profond du cerveau alors qu’il éprouve des sensations et des émotions. En observant la danse des lumières scintillantes sur l’écran d’un appareil d’IRM, vous êtes en mesure de repérer les pensées qui se déplacent à l’intérieur du cerveau. Tout se passe comme si on pouvait regarder à l’intérieur d’une horloge qui fait tic-tac.

La première chose que vous remarquerez à propos des appareils d’IRM, ce sont les énormes bobines magnétiques, de forme cylindrique, lesquelles sont capables de produire un champ magnétique vingt à soixante mille fois plus intense que celui de la Terre. Et cet aimant géant est l’une des raisons principales qui justifient pourquoi un appareil d’IRM peut peser une tonne, remplir une pièce tout entière et coûter plusieurs millions d’euros. (Les appareils d’IRM sont plus sûrs que ceux qui font intervenir des rayons X parce qu’ils ne créent pas d’ions nocifs. Les tomodensitomètres (ou CT-scanneurs), qui peuvent également produire des images tridimensionnelles, inondent l’organisme avec des doses de rayons de loin supérieures à celles des radiographies ordinaires par rayons X. Ces appareils doivent donc être soigneusement contrôlés. En revanche, les appareils d’IRM sont parfaitement sûrs lorsqu’ils sont employés correctement. Un seul problème, cependant, subsiste face à la négligence possible de certains manipulateurs. Le champ magnétique est tellement puissant que, si on l’enclenche à mauvais escient, il peut attirer violemment des outils qui filent alors en l’air à très grande vitesse. C’est ainsi que, par le passé, des gens ont été gravement blessés, voir tués à proximité de ces machines.)

Les appareils d’IRM fonctionnent comme suit : le patient, allongé, est introduit dans un cylindre muni de deux grosses bobines qui créent le champ magnétique. Dès que ce champ magnétique est enclenché, les noyaux des atomes présents à l’intérieur de son corps se comportent exactement comme les aiguilles des boussoles : ils s’alignent parallèlement à la direction du champ. Ensuite, une petite impulsion d’une radiofréquence déterminée est générée, laquelle oblige certains de ces noyaux de son corps à basculer. Lorsque, par la suite, ces noyaux rebasculent pour revenir à leur position normale, ils émettent une impulsion radio secondaire, laquelle est enregistrée par l’appareil. En analysant ces très faibles « échos », il est alors possible de reconstituer la localisation et la nature de ces atomes. Exactement comme une chauve-souris, qui se base sur les échos pour déterminer la position des objets qui se trouvent dans sa trajectoire, les échos détectés par l’appareil d’IRM permettent aux spécialistes de recréer une image remarquable de l’intérieur du cerveau. Les ordinateurs reconstruisent ensuite la position des atomes, aboutissant à un résultat qui se présente sous la forme de magnifiques images tridimensionnelles.

Les premiers appareils d’IRM ne pouvaient fournir que des images de la structure statique du cerveau et de ses diverses parties. Toutefois, vers le milieu des années 1990, un nouveau type d’IRM fut inventé, à savoir l’IRM « fonctionnelle » (ou f-IRM), qui allait permettre de détecter la présence d’oxygène dans le sang du cerveau. (En ce qui concerne les divers types d’appareils d’IRM, les scientifiques ont pris l’habitude de placer une lettre minuscule en avant du sigle « IRM », mais nous continuerons à ne mentionner que l’abréviation IRM pour qualifier chacun des divers types d’appareils d’IRM.) Les explorations en IRM ne permettent pas de détecter directement le flux électrique au sein des neurones. Cependant, étant donné que l’oxygène est indispensable pour fournir l’énergie voulue aux neurones, le sang oxygéné peut indirectement servir à retracer la circulation de l’énergie électrique au sein de ces cellules, ce qui indique comment les diverses régions du cerveau interagissent entre elles.

Dès à présent, les analyses par IRM ont définitivement infirmé l’idée que le fait de penser impliquait l’intervention d’un seul centre bien précis. Durant le processus de pensée, on constate au contraire que l’énergie électrique circule au travers de parties différentes du cerveau. En décryptant le chemin suivi par nos pensées, les examens d’IRM ont jeté un nouvel éclairage sur la nature de la maladie d’Alzheimer, de Parkinson, sur la schizophrénie, voire sur une flopée d’autres maladies mentales.

Le gros avantage des appareils d’IRM est leur capacité remarquable de se focaliser sur des zones minuscules du cerveau, ne dépassant pas une fraction de millimètre. Une exploration en IRM ne se bornera pas à créer de simples points sur un écran bidimensionnel (qu’on appelle des pixels), mais bien des points dans un espace tridimensionnel (qu’on appelle des « voxels »), ce qui fournit une vaste collection de dizaines de milliers de points colorés restituant la forme d’un cerveau.

Étant donné que les divers éléments chimiques répondent à des fréquences d’ondes radio qui leur sont propres, il est parfaitement possible d’identifier d’autres éléments particuliers de l’organisme en changeant simplement la fréquence des impulsions radio. Comme on l’a déjà signalé, les appareils de f-IRM se concentrent sur les atomes d’oxygène contenus dans le sang afin de mesurer le débit sanguin, mais ces appareils peuvent bien évidemment être réglés en vue d’identifier d’autres types d’atomes. Précisément, lors de cette dernière décennie, une nouvelle sorte d’IRM a été introduite : il s’agit de « l’imagerie par tenseur de diffusion » (ITD), qui détecte les mouvements de l’eau dans le cerveau. Vu que l’eau y suit les voies neuronales, l’ITD fournit de magnifiques images qui ressemblent à des réseaux de vignes dans un domaine viticole. Dès à présent, les spécialistes peuvent déterminer instantanément comment certaines parties du cerveau sont connectées à d’autres parties.

La technologie d’IRM présente toutefois plusieurs inconvénients. Alors que ces appareils s’avèrent sans égal en ce qui concerne leur résolution spatiale, étant capables d’afficher des voxels de la taille d’une pointe d’épingle en trois dimensions, le pouvoir de résolution temporelle de ceux-ci n’est pas vraiment aussi performant. Suivre le chemin parcouru par le sang au niveau cérébral nécessite pratiquement une seconde entière, ce qui ne semble peut-être pas énorme, alors qu’on se rappellera que les signaux électriques traversent quasi instantanément le cerveau. Bref, les analyses par IRM ne réussiront pas à détecter les infimes détails relatifs à la formation des pensées.

Le coût représente un autre problème. Un appareil d’IRM se négocie dans les millions d’euros, de sorte que les médecins doivent bien souvent se les partager. Cependant, comme dans le cas de la plupart des technologies, les progrès futurs ramèneront progressivement ces prix à la baisse.

Quoi qu’il en soit, les coût exorbitants n’ont pas empêché la chasse aux applications commerciales. Une idée serait d’employer ces appareils d’IRM en tant que détecteurs de mensonges, vu que des études semblent démontrer que ceux-ci sont capables de détecter les mensonges avec 95 % de certitude, voire plus. Certes, ce niveau de certitude reste fort controversé. Cependant, l’idée fondamentale est que lorsqu’une personne raconte un mensonge, elle doit nécessairement connaître en même temps la vérité, concocter ledit mensonge et analyser rapidement la cohérence de celui-ci vis-à-vis des faits antérieurement avérés. Actuellement, certains fabricants affirment que les IRM démontrent que le lobe préfrontal, de même que le pariétal, s’activent lorsque quelqu’un raconte un mensonge. C’est en particulier le « cortex orbitofrontal » (qui peut jouer le rôle, notamment, de « contrôleur des faits » afin de nous avertir que quelque chose ne va pas) qui devient actif. Cette zone est située juste derrière les orbites de nos yeux, d’où le nom. En théorie, le cortex orbitofrontal reconnaîtrait la différence qui existe entre la vérité et un mensonge et se mettrait en « surrégime ». [D’autres aires cérébrales s’activent également lorsque quelqu’un ment, tels les cortex préfrontaux (le supramédial et l’inférolatéral), lesquels sont impliqués dans les processus cognitifs.]

Dès à présent, plusieurs entreprises commerciales offrent des appareils d’IRM pouvant servir de détecteurs de mensonges, et plusieurs affaires judiciaires où cette technologie est impliquée ont envahi les tribunaux. Il est toutefois important de signaler que ces IRM ne détectent des activités exaltées que dans certaines zones du cerveau. Alors que classiquement les résultats des analyses d’ADN font preuve d’une précision de l’ordre de un sur 10 milliards, voire mieux, les IRM en sont incapables, vu que plusieurs aires cérébrales sont impliquées lors de l’élaboration d’un mensonge et que ces mêmes aires sont tout aussi bien appelées à traiter d’autres sortes de pensées.

Les électroencéphalogrammes

L’électroencéphalogramme (EEG) est un tracé obtenu à la suite d’un autre examen fort utile lorsqu’on désire examiner le cerveau en profondeur. Certes, l’EEG fut introduit dès l’année 1924, mais ce n’est que tout récemment qu’il a été possible de faire intervenir des ordinateurs afin de pouvoir comprendre chacune des données générées par les diverses électrodes.

Lors de l’enregistrement d’un EEG, le patient porte habituellement un casque dont l’allure est futuriste et qui est muni d’un grand nombre d’électrodes qui s’appliquent sur le cuir chevelu. (Certaines versions plus modernes se présentent comme un simple filet à cheveux dans lequel sont réparties diverses électrodes minuscules qu’il suffit de poser sur la tête.) Ces électrodes servent à détecter les infimes signaux électriques qui circulent dans le cerveau.

Un électroencéphalogramme diffère à bien des égards d’une IRM. Un examen d’IRM consiste, comme nous l’avons vu, à envoyer des impulsions radio dans le cerveau puis à analyser les « échos » qui surviennent en retour. Ceci signifie qu’il est parfaitement possible de modifier la radiofréquence de manière à se focaliser sur l’analyse de divers types d’atomes, rendant ainsi cette technique très adaptable. En revanche, l’appareil d’enregistrement des EEG est purement passif, c’est-à-dire qu’il se borne à enregistrer les faibles signaux électromagnétiques que le cerveau émet tout naturellement. L’EEG est tout indiqué lorsqu’il s’agit d’enregistrer l’ensemble des signaux électromagnétiques qui émanent du cerveau tout entier, ce qui permet aux neurologues de mesurer l’activité globale du cerveau lorsqu’un individu dort, se concentre, se détend, rêve, etc. La fréquence des ondes cérébrales diffère en effet selon l’état de conscience de celui-ci. Ainsi, à un sommeil profond correspondent des ondes delta, dont la fréquence se situe entre 0,1 et 4 cycles par seconde. Par contre, une activité mentale active, associée par exemple à la résolution d’un problème, génère des ondes bêta, caractérisées par une fréquence de 12 à 30 cycles par seconde. Et ce sont ces vibrations qui permettent aux diverses parties du cerveau de partager des informations et de communiquer entre elles, même si elles se trouvent en des endroits diamétralement opposés du cerveau. Bref, si les flux sanguins cérébraux ne peuvent être mesurés par IRM que quelques fois en l’espace d’une seconde, les électroencéphalogrammes sont capables de mesurer instantanément et en continu l’activité électrique dudit cerveau.

Figure 5. En haut, on aperçoit une image obtenue par un appareil d’IRM fonctionnelle, laquelle permet de localiser les régions cérébrales où l’activité mentale est intense. Dans l’image du bas, il s’agit d’une imagerie par tenseur de diffusion, laissant entrevoir des structures faisant penser à des cheveux en brosse, lesquels permettent de suivre les voies neuronales et autres connexions cérébrales.

Les principaux avantages des techniques d’EEG sont, véritablement, leur facilité d’emploi et leur faible coût. Même des élèves du secondaire ont réalisé des expériences dans leur living-room avec des capteurs électroencéphalographiques placés sur leur tête.

Quoi qu’il en soit, l’inconvénient majeur de l’EEG, qui a d’ailleurs retardé son développement pendant plusieurs décennies, est la très médiocre résolution spatiale de cette technique. L’EEG récolte des signaux électriques qui ont déjà subi une diffusion lors de leur passage au travers de la boîte crânienne, de sorte qu’il n’est guère aisé de détecter des activités anormales lorsque celles-ci proviennent d’une région profonde du cerveau. Lorsqu’on examine le résultat si embrouillé des signaux d’un EEG, il est quasi impossible de déterminer avec certitude de quelle zone cérébrale tous ceux-ci proviennent. Qui plus est, de simples mouvements, comme plier un doigt, peuvent déformer les signaux, ce qui est susceptible de rendre l’EEG inutilisable.

Les tomographies par émission de positrons

Il existe encore un autre outil intéressant qui provient du monde de la physique, à savoir la tomographie par émission de positrons (TEP-scans). Cette technique consiste à calculer le flux énergétique cérébral en localisant la présence du glucose, qui est la molécule sucrée qui alimente les cellules nerveuses. Exactement comme la chambre à brouillard que j’avais construite lorsque j’étais étudiant dans le secondaire, les scanneurs de TEP font intervenir à l’intérieur du glucose les particules subatomiques qui sont émises par du sodium-22. Avant d’exécuter l’exploration par TEP, on injecte au patient une solution particulière contenant un sucre légèrement radioactif. Mais dans ces molécules de sucre, les atomes de sodium naturel qui y étaient présents ont été remplacés par des atomes de sodium-22 radioactif. Et chaque fois qu’un atome de sodium se désintègre, il émet un électron positif – c’est-à-dire un positron –, lequel est aisément détecté par des capteurs ad hoc. En suivant les voies suivies par les atomes de sodium radioactifs associés au sucre, on peut alors retracer les flux d’énergie au sein du cerveau vivant.

Les TEP-scans présentent une bonne part des avantages liés aux explorations d’IRM, sans toutefois apporter une résolution spatiale aussi fine que l’IRM. Cependant, plutôt que de mesurer le débit sanguin, qui ne représente qu’une indication indirecte de la consommation d’énergie de l’organisme, les TEP-scans mesurent réellement la consommation d’énergie, de sorte qu’ils reflètent plus fidèlement l’activité neuronale.

En revanche, les TEP-scans présentent un nouvel inconvénient. Au contraire des examens d’IRM et d’EEG, les TEP-scans impliquent une certaine dose de radioactivité, de sorte que cette technique ne peut pas être appliquée trop régulièrement. En raison des risques liés aux rayonnements, il faut, en principe, éviter qu’un patient ne subisse un TEP-scan plus d’une fois par an.

Magnétisme et cerveau

Au cours de cette dernière décennie, de nombreux appareils de haute technologie se sont ajoutés à la boîte à outils des neurologues, parmi lesquels, notamment, le scanneur électromagnétique transcrânien (SET), la magnétoencéphalographie (MEG), la spectroscopie dans l’infrarouge proche (SIRP) ainsi que l’optogénétique.

En particulier, le magnétisme a été mis à profit pour mettre systématiquement à l’arrêt certaines zones du cerveau sans devoir recourir à une trépanation. La physique fondamentale qui sous-tend ces nouvelles technologies est qu’un champ électrique qui varie rapidement produit un champ magnétique induit, et vice versa. Les MEG mesurent passivement les champs magnétiques créés par les champs électriques variables du cerveau. Ces champs magnétiques sont faibles et dérisoires, ne correspondant qu’à un milliardième du champ magnétique terrestre. Mais, tout comme les EEG, les MEG sont extrêmement efficaces en ce qui concerne la résolution temporelle, allant jusqu’à un millième de seconde. Par contre, leur résolution spatiale ne correspond qu’à un centimètre cube.

Par ailleurs, au contraire des mesures passives propres aux MEG, le scanneur électromagnétique transcrânien (SET) génère une importante impulsion électrique, laquelle crée à son tour une poussée d’énergie magnétique. Le SET-scanneur est placé à proximité immédiate de la tête, de façon à ce que l’impulsion magnétique puisse pénétrer dans la boîte crânienne et y créer une nouvelle impulsion électrique au niveau du cerveau. Et cette impulsion électrique secondaire s’avère, à son tour, suffisante pour désactiver, voire freiner l’activité de zones cérébrales préalablement choisies.

Jadis, les spécialistes devaient se baser sur des accidents vasculaires cérébraux ou sur des tumeurs pour faire taire certaines zones cérébrales en vue de déterminer quel était leur rôle. Or actuellement, grâce au scanneur électromagnétique transcrânien, il est parfaitement possible de déconnecter ou de réduire à volonté et de manière inoffensive l’activité de certaines parties du cerveau. En envoyant de l’énergie magnétique en un point précis du cerveau, on peut en déterminer la fonction en observant en quoi le comportement de ladite personne a changé. (Par exemple, en lançant des impulsions magnétiques dans le lobe temporal gauche, on peut constater que ceci affecte défavorablement notre aptitude à parler.)

Un inconvénient éventuel du SET est que ces champs magnétiques ne pénètrent pas fort profondément dans le cerveau (étant donné que les champs magnétiques voient leur intensité diminuer bien plus vite que celle de l’électricité qui dépend classiquement de l’inverse de la distance au carré). La technique SET est parfaitement envisageable lorsqu’il s’agit de mettre à l’arrêt des zones cérébrales proches du revêtement crânien, alors que le champ magnétique est incapable d’atteindre des centres importants profondément enfouis, tel le système limbique.

Figure 6. On aperçoit le scanneur électromagnétique transcrânien ainsi que le magnétoencéphalographe, lesquels font intervenir le magnétisme plutôt que des ondes radio pour pénétrer à l’intérieur de la boîte crânienne afin de déterminer la nature des pensées cérébrales. Le magnétisme peut faire taire temporairement certaines parties du cerveau, ce qui permet aux neurologues de déterminer en toute sécurité comment ces régions fonctionnent, sans devoir recourir à des patients victimes d’accidents vasculaires cérébraux.

Toutefois, il est fort probable que des générations futures d’appareils SET puissent surmonter ce problème technique en augmentant l’intensité et la précision du champ magnétique.

Stimulation cérébrale profonde

Il existe encore un autre outil incontournable pour les neurologues, en l’occurrence la stimulation cérébrale profonde (SCP). Les électrodes qu’avait utilisées le docteur Penfield étaient relativement rudimentaires. De nos jours, ces électrodes peuvent être aussi fines que des cheveux, ce qui leur offre la possibilité d’atteindre des zones précises situées dans les profondeurs du cerveau. La SCP a non seulement permis aux spécialistes de localiser les fonctions respectives des diverses parties du cerveau, mais elle a pu également servir à traiter des maladies mentales. Ainsi, la SCP s’est avérée efficace pour traiter la maladie de Parkinson, dans laquelle certaines régions cérébrales sont hyperactives, ce qui se traduit par un tremblement incontrôlable des mains.

Plus récemment, de telles électrodes ont ciblé une nouvelle zone cérébrale (appelée aire 25 de Brodmann) qui est souvent trop active chez les patients dépressifs qui ne répondent pas à la psychothérapie ni aux médicaments. La stimulation cérébrale profonde peut offrir un soulagement quasi miraculeux à des patients atteints depuis des décennies de souffrances et d’angoisses persistantes.

Chaque année, de nouvelles applications sont découvertes pour la SCP. De fait, la plupart des troubles importants du cerveau sont réexaminés sous l’angle de la stimulation cérébrale profonde et autres technologies de scannage de cet organe. Tout cela semble inaugurer une nouvelle ère passionnante en ce qui concerne le diagnostic, voire même le traitement des maladies mentales.

L’optogénétique : l’activation du cerveau par la lumière

Il semble cependant que l’instrument le plus novateur et le plus enthousiasmant qui est venu s’ajouter dans la boîte à outils des neurologues soit l’optogénétique, à savoir une technologie qui était jadis assimilée à de la science-fiction. Comme si vous disposiez d’une baguette magique, il vous est possible d’activer certaines voies qui contrôlent des comportements précis en projetant un faisceau lumineux sur le cerveau.

Aussi incroyable que cela puisse paraître, il suffit d’insérer, directement dans un neurone et avec une précision chirurgicale, un gène photosensible qui provoque l’activation de cette cellule. Ensuite, on projette un faisceau lumineux sur cette zone de manière à activer ledit neurone. Mais, plus important encore, ceci permet aux scientifiques d’exciter ces voies neuronales, de sorte qu’ils peuvent, à volonté, activer ou désactiver certains comportements en actionnant tout simplement un interrupteur.

S’il est bien vrai que cette technologie ne date que d’une décennie, l’optogénétique s’est déjà montrée parfaitement efficace en ce qui concerne le contrôle de certains comportements d’animaux. En enclenchant l’interrupteur de lumière, il est possible de provoquer l’envol soudain de drosophiles (mouches du vinaigre), de stopper net des vers qui se remuent et de faire éperdument tourner en rond des souris. Des expériences sont actuellement menées avec des singes et il est même question d’envisager des essais sur des êtres humains. Les spécialistes espèrent vivement que cette technologie aura un impact direct sur le traitement de pathologies comme la maladie de Parkinson ou les états dépressifs.

NOTES

Chapitre 1 À la découverte du cerveau

6. En fait, il resta à demi conscient pendant plusieurs semaines : Voir Sweeney, pp. 207-208.

7. Son médecin traitant, le docteur John Harlow : Carter, p. 24

8. Ainsi, en l’an 43 après Jésus-Christ, il semble : Horstman, p. 87.

9. « C’est comme si je me trouvais devant le portail de mon collège » : Carter, p. 28.

Ouvrage original :
Michio Kaku, The Future of the Mind. The Scientific Quest to Understand, Enhance, and Empower the Mind, copyright 2014 by Michio Kaku.
All rights reserved. First publishing in the United States by Doubleday, a division of Penguin Random House LLC, New York.

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