Ce que l’épilepsie nous enseigne sur la diversité et la résilience

Lorsque les neurones se ressemblent trop et répondent tous aux stimulus de la même manière, le cerveau est plus vulnérable aux crises d’épilepsie, expliquent deux chercheurs en neurosciences.

koto feja / Getty Images / montage : L’actualité

Jérémie Lefebvre est professeur agrégé de neurosciences computationnelles et neurophysiologie à l’Université d’Ottawa ; Taufik A. Valiante est neurochirurgien et neuroscientifique à l’Université de Toronto.

De nos jours, on reconnaît de plus en plus l’importance de l’équité, de la diversité et de l’inclusion au sein de la société et de ses institutions. Les organisations de pointe les plus progressistes considèrent que la diversité des gens est essentielle au succès, à la croissance, à la capacité d’innovation et au développement d’une société.

Les avantages liés à la diversité sont toutefois bien loin d’être réservés aux organisations humaines ; l’hétérogénéité et la variabilité sont les principes de conception centraux de tous les systèmes naturels complexes, qu’il s’agisse de réseaux écologiques, cellulaires ou génétiques.

Qu’on parle d’un écosystème, de la société ou du cerveau, quel est l’élément qui relie cette diversité au fonctionnement et à la stabilité d’un système complexe ?

En tant que chercheurs en neurosciences, nos recherches interdisciplinaires et nos travaux cliniques nous ont poussés vers l’incroyable complexité et la richesse du cerveau humain et des systèmes naturels. Nous visons non seulement à mieux comprendre le fonctionnement des circuits du cerveau, mais aussi à mettre au point de nouveaux traitements pour les maladies neurologiques telles que l’épilepsie.

Diversité rime avec résilience

D’abord élaboré par Darwin, le concept selon lequel la diversité engendre la stabilité et la survie est débattu par des scientifiques issus de nombreuses disciplines depuis plus d’un siècle. La capacité des systèmes naturels à résister face aux changements est une caractéristique que l’on appelle la résilience. Cette caractéristique fondamentale émerge des interactions entre les membres d’un même système (par exemple, les espèces d’un écosystème, les individus d’un groupe, les cellules d’un organisme) et permet à ce dernier de maintenir ses fonctions au fil du temps.

Le changement met à l’épreuve la résilience. Certains écosystèmes peuvent s’adapter à l’extinction d’espèces ou à la sécheresse. Des communautés virtuelles ou réseaux sociaux peuvent résister à des cyberattaques. Certaines organisations peuvent poursuivre leurs activités à la suite de conflits, guerres, révolutions politiques ou… pandémies. À la lumière de ces exemples courants et de nombreux autres liés aux sciences sociales ou naturelles, il est aujourd’hui plus important que jamais de comprendre le rôle joué par la diversité dans le maintien de la résilience des systèmes complexes.

Et si des pistes de réponse se trouvaient dans les circuits du cerveau, plus particulièrement dans un cerveau atteint d’épilepsie ?

Basculer dans une tempête électrique

Afin de mieux comprendre, revenons un peu en arrière… Depuis plusieurs années, notre équipe interdisciplinaire étudie l’épilepsie, le désordre neurologique grave le plus fréquent. L’épilepsie se caractérise principalement par la présence apparemment spontanée et récurrente de crises, souvent déclenchées par le stress ou un stimulus visuel (comme des lumières clignotantes ou des images particulières). Des recherches récentes ont aussi montré que la fréquence de ces crises pouvait varier selon le moment du jour ou du mois, en fonction du rythme circadien (cycle éveil-sommeil), par exemple.

Sous cet angle, un cerveau atteint d’épilepsie peut être vu comme fragile et peu résilient, basculant régulièrement dans une tempête électrique. Ainsi, plutôt que de s’adapter normalement aux changements, les neurones deviennent disproportionnellement actifs et synchrones, et l’activité électrique intense qui en résulte se propage en perturbant les fonctions cérébrales.

Des neurones moins diversifiés

En raison des conséquences importantes de ces crises sur les patients et leurs familles, notre équipe a étudié sans relâche les circuits responsables de leur déclenchement et explore des moyens susceptibles de les prévenir.

Quel rapport y a-t-il entre la diversité et l’épilepsie ? Nous avons récemment mesuré l’activité des neurones chez des personnes souffrant de cette affection. Nous avons alors remarqué que les neurones situés dans les régions du cerveau responsables du déclenchement des crises étaient beaucoup moins diversifiés que ceux des régions non impliquées. Ces neurones étaient étrangement similaires, présentant des caractéristiques et des réponses hautement semblables.

Cette absence de diversité pourrait-elle expliquer pourquoi les cerveaux sujets aux crises sont moins résilients ?

Des modèles mathématiques à la rescousse

Afin de répondre à cette question complexe, nous nous sommes tournés vers les mathématiques. Et si, par l’entremise de modèles mathématiques des circuits cérébraux, nous pouvions comprendre comment la diversité des neurones (ou l’absence de celle-ci) prédispose le cerveau aux crises ? Pourrions-nous déterminer si la diversité neuronale accroît la résilience dans le cerveau ? Ces modèles de réseaux de neurones nous permettent non seulement de simuler des crises et d’étudier leur mécanisme, mais aussi de varier le niveau de diversité exprimé par nos neurones simulés. Ils constituent donc un outil irremplaçable pour mieux comprendre le rôle de la diversité cellulaire dans le fonctionnement du cerveau.

Ces équations ont révélé que lorsque la diversité est trop faible ou absente, une forme d’activité rappelant les crises d’épilepsie apparaît spontanément, sujette à des changements soudains de synchronisation. Ces résultats sont sans équivoque : un niveau réduit de diversité fragilise ces circuits neuronaux, les rendant peu résilients et incapables de garder le type d’activité nécessaire au maintien des fonctions cérébrales.

Que peut-on conclure de ces résultats ? Ils aident à éclaircir le rôle joué par la diversité et les différents types de neurones dans le maintien des fonctions cérébrales. Ils nous apportent un regard neuf sur les maladies neurologiques telles que l’épilepsie, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles pistes de traitement de ces maladies.

L’utilisation des mathématiques nous permet aussi d’approfondir certaines questions qui demeurent sans réponse : y a-t-il un niveau optimal de diversité ? Quelles sont les différentes sortes de diversité (types de neurones, pluralité des agencements parmi les connexions qui les relient) et quelle est leur fonction dans l’activité du cerveau ? Pourrions-nous augmenter la résilience du cerveau en promouvant la diversité cellulaire, par exemple au moyen de la neurostimulation ?

Nos résultats constituent avant tout un rappel frappant du rôle primordial que joue la diversité dans la solidité des systèmes naturels face au changement ; cette vérité ne s’applique pas qu’aux neurones et aux circuits neuronaux, mais aussi aux humains et aux collectivités.

Comme quoi la diversité est le sel de la vie.

Cet article est republié à partir de La Conversation.

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