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.

Et si s’ennuyer un peu était bon pour le cerveau?

Ce qu’en disent les neuroscientifiques

L'ennui agirait comme un mécanisme naturel d’adaptation et de réinitialisation du système

Souvent perçu comme un état contre-productif, l’ennui pourrait en réalité s’avérer bénéfique pour le cerveau, selon les neuroscientifiques. À petites doses, il jouerait un rôle d’adaptation naturelle, permettant au système nerveux sympathique de se réinitialiser et de mieux résister à l’anxiété. Cela met en lumière une façon naturelle de tirer parti des courts moments d’inactivité, dans un monde soumis à un rythme de plus en plus soutenu.

Nous faisons généralement l’expérience de l’ennui à travers une soudaine perte d’intérêt ou de concentration pour une activité en cours. Ce désengagement rend plus difficile le maintien de l’attention. D’un point de vue neurobiologique, cet état se traduit par l’activation de régions cérébrales spécifiques.

Lorsque l’attention demeure pleinement mobilisée, le réseau cérébral chargé de la concentration sélectionne les stimuli les plus pertinents et filtre ceux qui pourraient nous distraire. En revanche, si l’activité suscite peu d’intérêt, l’activation de ce réseau diminue à mesure que l’attention faiblit. Parallèlement, l’activité du réseau fronto-pariétal, impliqué dans le contrôle exécutif, tend elle aussi à décroître.

Cette baisse d’attention favorise alors l’activation du réseau du mode par défaut. Celui-ci détourne l’attention des stimuli extérieurs pour la tourner vers l’activité mentale interne, c’est-à-dire vers l’introspection. Cela implique la synchronisation de plusieurs régions cérébrales clés, dont l’insula, impliquée dans le traitement sensoriel et émotionnel. L’amygdale, structure impliquée dans la formation des souvenirs émotionnels, est également sollicitée lors de ces phases d’ennui, notamment pour gérer les émotions négatives qui peuvent en découler.

Cet état est encore largement considéré comme négatif. " Généralement défini comme une difficulté à maintenir son attention ou son intérêt dans une activité en cours, l’ennui est généralement considéré comme un état négatif que nous devrions essayer d’éviter ou de nous empêcher de vivre ", écrivent Michelle Kennedy, chercheuse en santé mentale des jeunes, et Daniel Hermens, professeur de santé mentale et de neurobiologie de l’adolescence à l’Université de la Sunshine Coast, en Australie, dans un article publié sur The Conversation.

Dès lors, nous cherchons instinctivement à échapper à l’ennui. Le cortex préfrontal médian ventral s’active pour inciter à rechercher des sources de stimulation plus attrayantes. Pourtant, loin d’être nuisible ou stérile, l’ennui pourrait, selon Kennedy et Hermens, procurer des effets bénéfiques inattendus si nous apprenions à l’accepter.

UN MOYEN SIMPLE ET NATUREL DE REINITIALISER LE SYSTEME NERVEUX

Notre mode de vie contemporain nous soumet à une exposition quasi constante au stress, du fait du flux ininterrompu d’informations à assimiler. Pour y faire face, beaucoup adoptent un rythme effréné, ne s’accordant que de brèves pauses. Or, ces rares moments de répit sont souvent consacrés à l’organisation des tâches futures ou à des activités tout aussi stimulantes, perçues à tort comme reposantes. Selon les chercheurs, "les adultes donnent involontairement aux jeunes générations l’exemple de la nécessité d’être constamment connectésé.

Cette hyperstimulation n’est pas sans conséquences. En effet, le cerveau reste sous tension en raison de l’activité prolongée du système nerveux sympathique, impliqué dans la réponse de " lutte ou fuite " face au stress. Sollicité sans relâche pour gérer plusieurs tâches à la fois, ce système finit par s’user, provoquant ce que l’on nomme une "surcharge allostatique" — un état d’usure physiologique causé par une exposition prolongée au stress.

Kennedy et Hermens estiment que l’ennui pourrait offrir un moyen simple et naturel de réinitialiser ce système nerveux. Une hypothèse qui fait écho à une étude précédente, laquelle suggère que l’ennui constitue une expérience émotionnelle distincte de l’apathie, de l’anhédonie ou de la dépression, auxquelles il est trop souvent assimilé. Cela suggère que l’ennui remplit un rôle plus subtil qu’on ne le croyait.

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Une étude révèle une "empreinte respiratoire" unique chez chaque individu

En plus de permettre de nous identifier comme les empreintes digitales, elle pourrait aussi fournir des informations sur notre santé physique et mentale.

Une étude suggère qu’il serait possible d’identifier un individu à l’aide de sa respiration nasale, avec une précision de 96,8%. Chaque personne posséderait une " empreinte respiratoire " propre, comparable aux empreintes digitales. Celle-ci offrirait également des indications sur la santé physique et mentale, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles stratégies de diagnostic et de traitement.

Si la respiration peut sembler a priori être un processus élémentaire qui échappe à notre attention, elle est en réalité régie par un réseau cérébral d’une remarquable complexité. Ce système supervise en permanence à la fois les schémas respiratoires autonomes, garants de l’homéostasie physiologique, et les modulations volontaires en réponse aux exigences comportementales.

Des hypothèses ont été avancées selon lesquelles ce réseau, à la fois structurel et fonctionnel, pourrait permettre une caractérisation fine des dynamiques respiratoires. Chaque cerveau étant unique, il est plausible que les schémas respiratoires à long terme le soient également. Autrement dit, chaque être humain pourrait posséder une signature respiratoire propre, susceptible de renseigner sur l’état cérébral.

Cette hypothèse, cependant, n’avait jusqu’ici pas été explorée de manière empirique. Les examens respiratoires actuels, le plus souvent limités à des séquences de quelques minutes — entre une et vingt —, offrent un aperçu trop fragmentaire pour révéler les schémas les plus subtils.

 

 

Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences, en Israël, ont poussé l’investigation plus loin en développant une méthode capable de mesurer la respiration nasale sur de longues périodes. " On pourrait croire que la respiration a été mesurée et analysée sous toutes ses formes ", remarque Noam Sobel, co-auteur principal de l’étude, dans un communiqué. " Pourtant, nous avons découvert une toute nouvelle façon d’appréhender ce processus. Nous le considérons comme une lecture du cerveau", ajoute-t-il.

DES INDIVIDUS IDENTIFIES AVEC UNE PRECISION DE 96,8%

Pour mettre leur hypothèse à l’épreuve, Sobel et ses collègues ont mis au point un dispositif portable, léger, capable de mesurer en continu et avec précision le flux d’air nasal, au moyen de tubes souples placés sous les narines et reliés à un détecteur placé sous la nuque. Les mesures ont été réalisées durant vingt-quatre heures sur cent jeunes adultes en bonne santé. Les analyses se sont appuyées sur un protocole appelé Breath Metrics, qui intègre 24 paramètres distincts de la respiration nasale. Les participants ont également rempli des questionnaires relatifs à leurs activités quotidiennes et à leur santé mentale.

Les chercheurs ont ainsi pu identifier chaque sujet uniquement à partir de ses données respiratoires. Après une heure d’enregistrement, le taux de précision atteignait déjà 43%. Ce chiffre s’élevait à 96,8% au bout de vingt-quatre heures. Ce niveau de fiabilité est resté stable lors de tests répétés sur une période de deux ans, atteignant un degré de précision comparable à celui de certaines technologies de reconnaissance vocale.

 

"Je pensais qu’il serait très difficile d’identifier quelqu’un, car chacun a des activités différentes, comme courir, étudier ou se reposer", confie Timna Soroka, autrice principale de l’étude, publiée dans la revue Current Biology. " Mais il s’avère que leurs rythmes respiratoires étaient remarquablement distincts ", poursuit-elle.

empreinte respiration resume

UN INDICATEUR DE SANTE PHYSIQUE ET MENTALE

En examinant les rythmes respiratoires, les chercheurs ont constaté que l’empreinte propre à chaque individu offrait des indications sur son état physique et mental. Elle se révélait notamment corrélée à l’indice de masse corporelle, au cycle veille-sommeil, aux niveaux d’anxiété et de dépression, ainsi qu’à certaines caractéristiques comportementales.

Par exemple, les personnes ayant obtenu des scores élevés aux questionnaires sur l’anxiété présentaient des inspirations plus courtes que la moyenne, ainsi que des fluctuations plus marquées dans les pauses entre deux respirations durant le sommeil. Aucun des participants ne remplissait toutefois les critères standards de diagnostic clinique de troubles mentaux ou comportementaux; les données suggèrent néanmoins qu’un suivi à long terme de la respiration pourrait offrir un outil d’évaluation plus fin.

"Nous supposons intuitivement que le degré de dépression ou d’anxiété influence notre respiration", explique Sobel. "Mais peut-être est-ce l’inverse. Peut-être que votre respiration vous rend anxieux ou déprimé. Si c’est le cas, il serait envisageable de la modifier pour atténuer ces états", avance-t-il.

Le dispositif, bien que léger, présente encore certaines limites. Les tubes placés sous les narines, souvent associés à une assistance respiratoire hospitalière, pourraient freiner l’adhésion du grand public. Par ailleurs, l’appareil ne prend pas en compte la respiration buccale et peut se déplacer durant le sommeil.

L’équipe travaille désormais à concevoir une version plus discrète et confortable pour un usage quotidien. Elle s’intéresse également à l’identification de schémas respiratoires considérés comme sains, dans l’optique de les adapter à des personnes souffrant de troubles mentaux ou émotionnels. " Nous souhaitons absolument aller au-delà du diagnostic et proposer des traitements, et nous sommes prudemment optimistes ", conclut Sobel.

Source: Current Biology