Notre tête émet de la lumière

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La lumière émise par le cerveau mesurée pour la première fois

Tous les tissus vivants émettent un faible flux de lumière. Des chercheurs ont mesuré pour la première fois ces "bio-photons" produits par le cerveau humain. Jouent-ils un rôle dans la cognition?

La vie, pour l’essentiel, est baignée de lumière: le Soleil procure à la planète l’énergie indispensable à la grande majorité des écosystèmes qu’elle abrite. Mais la vie crée également sa propre lumière, et pas seulement la bioluminescence des vers luisants et des poissons lanternes, ou les rayonnements infra-rouges engendrés par la chaleur. Les tissus vivants émettent un flux continu de lumière de faible intensité, ou bio-photons. Les scientifiques dénomment ce phénomène" émissions de photons ultra-faibles" (UPE, pour ultra-weak photon emissions, en anglais).

Ils supposent qu’elles ont pour origine des réactions biomoléculaires produisant de l’énergie, dont les photons sont des sous-produits. Dès lors, plus un tissu utilise d’énergie, plus il devrait diffuser de la lumière; ce qui signifie que, dans notre corps, le cerveau devrait être particulièrement émetteur.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue iScience, des chercheurs ont détecté pour la première fois, depuis l’extérieur du crâne, des émissions par le cerveau humain de bio-photons et observé que celles-ci changeaient lorsque les participants (sans pouvoir établir de relation claire entre émissions et nature des tâches cognitives). Quel rôle ces photons sont-ils susceptibles de jouer dans l’activité cérébrale?

DE TRES FAIBLES RAYONNEMENTS

Fondamentalement, toute matière émet des photons. En effet, tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu produit un rayonnement, dans les longueurs d’onde infra-rouges. Les UPE sont cependant plusieurs ordres de grandeur moins intenses que ce rayonnement thermique, et leurs longueurs d’onde se situent dans la gamme de la lumière visible ou quasi visible du spectre électromagnétique.

Certaines molécules biologiques, lors de processus métaboliques, sont susceptibles de se trouver dans un état excité; elles libèrent alors des photons lorsqu’elles retrouvent leur état fondamental.

Les chercheurs qui étudient les tissus biologiques, y compris les neurones, parviennent à détecter ce très faible flux de lumière continu, allant de quelques photons à plusieurs centaines par centimètre carré chaque seconde, à l’échelle de cultures de cellules, dans des boîtes de Pétri. "La question était de savoir si ces photons, à l’échelle d’un organe qu’est le cerveau humain, pouvaient être impliqués dans le traitement ou la propagation de l’information", explique l’autrice principale de l’étude, Nirosha Murugan, biophysicienne à l’université Wilfrid-Laurier, au Canada.

Cela fait au moins un siècle que les scientifiques font l’hypothèse que les bio-photons jouent un rôle dans la communication cellulaire. En 1923, le biologiste russe Alexander Gurwitsch a mené des expériences dont le principe consistait à empêcher les photons émis par des racines d’oignons d’atteindre d’autres racines adjacentes, et conclu que ces "barrières" empêchaient la plante de pousser. Au cours des dernières décennies, une poignée d’études ont contribué à suggérer que les bio-photons jouent un rôle dans la communication cellulaire, et influencent la croissance et le développement d’un organisme.

DES PHOTONS CAPTES SUR LE CRANE

Se fondant sur ces travaux, Nirosha Murugan et son équipe ont cherché à mettre en évidence un phénomène comparable dans le cerveau humain. Il fallait d’abord, pour cela, vérifier qu’il était possible de mesurer les UPE à la surface du crâne.

À cette fin, ils ont muni vingt participants, dans une salle plongée dans le noir, de casques d’électro-encéphalographie (EEG). Des tubes amplificateurs de photons destinés à détecter les UPE étaient également placés autour de leur tête.

Ces détecteurs étaient regroupés à l’aplomb de deux régions cérébrales: les lobes occipitaux, situés en arrière du cerveau, responsables du traitement visuel, et les lobes temporaux, de chaque côté du cerveau, responsables du traitement auditif. Pour distinguer les UPE du bruit de fond, l’équipe a également installé des détecteurs d’UPE distincts, orientés à l’opposé des participants.

"Notre premier constat, c’est que les photons sortent de la tête, ça ne fait pas de doute", affirme Nirosha Murugan. La chercheuse a ensuite voulu vérifier si l’intensité de ces émissions changeait en fonction du type de tâche cognitive effectuée par les participants.

Le cerveau étant un organe très coûteux sur le plan métabolique, son hypothèse était que l’intensité des UPE devait augmenter lorsque les personnes exécutaient des tâches nécessitant plus d’énergie, comme le traitement visuel. C’est ce qui est en général observé dans les cultures cellulaires: un surcroît d’activité des neurones se traduit en émissions plus intenses.

UN ROLE DANS LES PROCESSUS COGNITIFS?

Si les dispositifs de mesure parvenaient à distinguer les photons provenant de la tête des participants du bruit de fond de ceux de la pièce, ils ont cependant échoué à établir une différence entre différentes régions cérébrales". Peut-être est-ce parce que les biophotons se diffusent dans le cerveau ", estime la chercheuse. Son équipe a toutefois mesuré des variations, pour une région donnée, au moment où les sujets changeaient de tâche, suggérant un lien entre les processus cognitifs et les émissions.

Les chercheurs ont donc plus de questions que de réponses quant au rôle des UPE dans le cerveau.

"C’est une approche très étonnante, recelant un potentiel intéressant pour la mesure de l’activité cérébrale, même si de nombreuses incertitudes subsistent", juge Michael Gramlich, biophysicien à l’université d’Auburn, en Alabama, aux États-Unis, qui n’a pas participé à l’étude". La question essentielle est de savoir si les UPE constituent un mécanisme actif de modification des processus cognitifs ou s’ils ne font que renforcer des mécanismes cognitifs connus".

Daniel Remondini, biophysicien à l’université de Bologne, en Italie, soulève une autre question: "Quelle distance ces photons peuvent-ils parcourir à l’intérieur des tissus biologiques?".

La réponse pourrait aider à éclaircir la relation entre activité cérébrale et émissions de photons issues de différentes régions du cerveau.

Pour répondre à ces nouvelles interrogations, l’équipe de Nirosha Murugan envisage d’utiliser des réseaux de capteurs plus précis afin de déterminer l’origine des photons dans le cerveau. Des scientifiques de l’université de Rochester développent également des sondes nanométriques pour évaluer la capacité des fibres nerveuses à transmettre des bio-photons.

Même si la lueur émise par notre cerveau ne joue aucun rôle dans son fonctionnement, la technique consistant à mesurer les biophotons en même temps que les signaux électriques – ce que Nirosha Murugan et ses collègues appellent la " photoencéphalographie " – pourrait un jour constituer un moyen utile de recueillir de manière non invasive des informations sur son état". Il est possible que cette technique soit largement adoptée dans les décennies à venir, même si la théorie selon laquelle les UPE soutiennent la cognition se révèle fausse ", anticipe Michael Gramlich.

Auteur: Conor Feehly

Conor Feehly est journaliste scientifique. Il travaille notamment pour Scientific American, New Scientist, Discover ou Nautilus.

Comment atteindre la "zone", mystérieux état de transe cérébrale qui intrigue les neurosciences?

Une étude révèle que l’état de "zone", ou "flow", apparaît quand le cerveau lâche le contrôle pour laisser agir l’automatisme. Dans un monde plein de distractions, il devient plus rare de l'expérimenter.

Complétement plongés dans une activité ou concentrés sur une tâche, nous pouvons parfois atteindre une sorte d’état second. Cet état mental de pure absorption du cerveau, intéresse de plus en plus les neurosciences, rapporte Popular Mechanics. Les scientifiques l'appellent la "zone" ou le "flow". Pour comprendre comment fonctionne ce mécanisme, une étude publiée en 2024 s’est intéressée à l’activité cérébrale des musiciens.

LE CERVEAU EN "PILOTE AUTOMATIQUE"

Dans cette étude publiée dans Neuropsychologia, les chercheurs ont demandé à 32 guitaristes de jazz plus ou moins expérimentés d’improviser six morceaux. Pendant ce temps, leur activité cérébrale était mesurée par électroencéphalogramme. Après chaque session, les musiciens ont évalué à quel point ils s’étaient sentis dans la "zone".

Pour les chercheurs, l’objectif était de savoir si le flow est lié à une concentration extrême, ou à une grande maîtrise accompagnée d'un lâcher-prise? Et au vu des résultats, il semble que la deuxième option soit la plus probable. Ceux qui maîtrisaient le mieux leur instrument étaient aussi les plus enclins à entrer dans le flow. Ces derniers présentaient une activité accrue dans les zones sensorielles et auditives du cerveau. Ils montraient cependant une activité réduite dans les lobes frontaux, ceux qui contrôlent la pensée consciente.

Cela suggère que la transe créative semble apparaître lorsque le cerveau met en pause son contrôle conscient et laisse agir les réflexes acquis par l’expérience. D’après John Kounios, directeur de l’étude, cela s’explique par un phénomène appelé hypofrontalité transitoire: l’activité des lobes frontaux baisse pour laisser d’autres régions du cerveau prendre le relais. Ainsi, sans avoir besoin d’y réfléchir, ou de produire un effort conscient, les musiciens savaient quoi faire. En quelque sorte, leur cerveau s’était mis en pilote automatique.

LES HUMAINS ONT-ILS PERDU LE FLOW?

Mais alors comment entrer soi-même dans cet état? Comment accéder au flow? D’après le psychothérapeute Michael Ceely, il faut avoir une certaine maîtrise de l’activité en question, que ce soit pour la musique ou pour la couture, par exemple. Mais il faut cependant choisir une activité "juste au-dessus de ses capacités", afin de rester pleinement engagé dans la tâche et éviter que son esprit ne divague trop. Ainsi, tout semble facile, si bien qu’il est possible d’atteindre une expérience proche de l’extase.

Toutefois, les chercheurs se demandent pourquoi la perception de cet état est si mystique. Pour Michael Ceely, cet état paraît presque magique, justement parce qu’il est devenu rare dans nos sociétés modernes. Avec toutes les distractions que nous avons à disposition nous avons peut-être perdu l’habitude d’être pleinement concentrés sur une tâche. Le psychothérapeute suggère même que la sensation de flow était plus présente à l’époque où les humains avaient besoin de leur pleine conscience pour survivre.

Mais il n’est pas trop tard. D’après le chercheur Kevin J.P. Woods, nous pouvons chacun retrouver le flow. Il conseille pour cela de se trouver un défi, pour se pousser à rester concentré, et de choisir un environnement agréable pour s’y atteler. Il ne faut pas non plus hésiter à s’accompagner de musique, qui peut favoriser la concentration, soutient Michael Ceely.

Autrement, un changement de décor, comme un séjour en pleine nature peut parfois suffire.

Comment les neurosciences expliquent-elles la conscience?

La conscience est une notion des plus compliquées et des plus complexes. Compliquées, car difficile à comprendre et complexes, car elle comporte en soi plusieurs éléments imbriqués, la rendant difficile à saisir. Faisons un tour d’horizon succinct de trois théories "rivales" aujourd’hui défendues par des scientifiques.

Selon la définition du Larousse, la conscience est la "connaissance, intuitive ou réflexive immédiate, que chacun a de son existence et de celle du monde extérieur". Il est important de distinguer plusieurs types de conscience.

La conscience spontanée ou immédiate est liée à l’expérience et tournée vers le monde extérieur. Elle renvoie à la présence de l’individu à lui-même au moment où il pense, sent ou agit.

La conscience réfléchie est la capacité de faire un retour sur ses propres pensées ou actions et de les analyser.

Enfin, le mot "conscience" peut aussi désigner notre capacité de jugement moral qui met en jeu le bien et le mal, sens qui ne renvoie pas à ce qui nous intéresse ici.

EST-ON SUR LE POINT DE DECOUVRIR LA SIGNATURE DE LA CONSCIENCE?

Les progrès des neurosciences, de l’informatique et de l’ingénierie depuis les années 1950 laissent entrevoir la possibilité de décrypter l’esprit voire, selon certains, la possibilité d’un jour le "télécharger" sur un support numérique. Pourtant, la conscience échappe encore aux scientifiques. Il est vrai que la mise en lumière de mécanismes cérébraux de plus en plus précis et spécifiques entrouvre un autre rapport au cerveau et rouvre la question: va-t-on découvrir la signature neuronale de la conscience?

Face à cette quête pour identifier les mécanismes cérébraux qui sous-tendent ce phénomène complexe, la science a besoin de théories.

Au sein de ce débat qui fut d’abord philosophique, les théories scientifiques de la conscience se placent dans une approche matérialiste. Cela signifie qu’elles font l’hypothèse que la conscience est un phénomène qui émerge de la matière dont nous sommes composés, en opposition avec les dualistes, pour qui le corps et l’esprit sont deux réalités de natures différentes. Les scientifiques vont alors se baser sur l’analyse de l’activité cérébrale.