Prix Cerveau en tête 2021: Jason da Silva Castanheira

L’empreinte cérébrale : une signature de signaux cérébraux complexes propre à chaque individu

Nous avons tous l’intuition que notre cerveau nous rend unique en tant que personne. De récentes études de neuro-imagerie ont conclu que les schémas d’activité cérébrale au repos permettent de distinguer les individus – ce qui a donné naissance à la notion d’empreinte cérébrale, par analogie à l’empreinte digitale. Les travaux publiés par le doctorant Jason da Silva Castanheira et ses collègues font progresser la définition biologique du soi, car ils montrent qu’une signature relativement simple de signaux cérébraux complexes peut être dérivée de courts segments d’activité cérébrale et qu’elle est remarquablement stable dans le temps. Ces signatures ou empreintes cérébrales offrent la possibilité de transformer le phénotypage neurophysiologique et les neurosciences des populations.

Les chercheurs ont cherché à clarifier les fondements neurophysiologiques de la différenciation individuelle à partir des caractéristiques de la dynamique riche et complexe de l’activité cérébrale au repos enregistrée par magnétoencéphalographie (MEG) chez 158 participants. Ils montrent que les mesures neurophysiologiques de la connectivité fonctionnelle (c’est-à-dire la façon dont les différentes régions du cerveau communiquent entre elles) peuvent distinguer les individus d’une cohorte avec une précision de 90 % et que des mesures plus simples dérivées de la distribution spatiale de la puissance du signal neuronal peuvent également différencier les individus. Les chercheurs ont vérifié que les artefacts expérimentaux typiques, tels que les mouvements de la tête, les battements de cœur et les clignements d’yeux dans le scanner, ne contribuaient pas à la différenciation des individus et ont montré que la capacité à distinguer les individus était uniquement déterminée par leur activité cérébrale et non par des facteurs externes, notamment les éventuelles signatures sonores environnementales uniques dans le laboratoire le jour de leurs visites respectives. À l’aide de procédures d’imagerie, da Silva Castanheira et ses collègues décrivent les régions du cerveau qui produisent l’activité la plus caractéristique d’un individu. Le résultat le plus important de cette publication est que des enregistrements de l’activité cérébrale aussi courts que 30 secondes suffisent à différencier les individus et que cette différenciation est robuste dans le temps à partir d’enregistrements effectués à des semaines et des mois d’intervalle.

Avec la disponibilité croissante de grands dépôts de données ouverts, de nouvelles possibilités s’offrent aux chercheurs pour saisir et cartographier la neurodiversité de la population en termes de variables comportementales, environnementales et cliniques clés. Cette étude met en évidence l’atout unique de tels ensembles de données où les cerveaux des individus sont scannés à de multiples occasions, ainsi qu’une caractérisation complète des facteurs comportementaux et sociodémographiques. Des travaux antérieurs ont montré que les troubles de la santé mentale peuvent affecter la stabilité des empreintes cérébrales tout au long de la vie. Les chercheurs prévoient que ces travaux pourraient inspirer de futures applications d’empreintes cérébrales rapides, sûres et reproductibles en tant qu’outil d’évaluation des conditions neurologiques et de santé mentale. Par exemple, de futurs prolongements de ces travaux permettront d’étudier le lien entre la stabilité des empreintes cérébrales et le déclin cognitif, les maladies chroniques, neurodégénératives ou aiguës. L’une des forces distinctives de cette contribution est la courte durée des enregistrements cérébraux sans tâche nécessaires pour dériver une empreinte cérébrale individuelle, fournissant ainsi aux cliniciens un outil pratique pour étudier les différences individuelles dans le traitement et la progression de la maladie.

Jason da Silva Castanheira

Jason da Silva Castanheira est un étudiant en doctorat dans le laboratoire du Dr Sylvain Baillet à l’Institut et hôpital neurologiques de Montréal, Université McGill. Il a participé à tous les aspects de l’étude, de sa conception à son rapport final, avec l’aide précieuse d’Hector Perez, du Dr Sylvain Baillet et du Dr Bratislav Misic. Les chercheurs, s’appuyant sur la bibliothèque open-source du logiciel Brainstorm (également co-développé dans le laboratoire de Baillet), ont mis le code et l’article en libre accès.

Sources de financement

Ce travail a été soutenu par le NIH (R01 EB026299), une subvention à la découverte du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (436355-13), la Chaire de recherche du Canada des IRSC sur la dynamique neuronale des systèmes cérébraux, la Fondation Brain Canada avec le soutien de Santé Canada, et le programme Idées novatrices du Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, attribué au Dr Sylvain Baillet et à l’Université McGill pour l’initiative Healthy Brains for Healthy Lives. Ces travaux ont également été appuyés par la bourse de doctorat Alexander Graham-Bell du CRSNG accordée à Jason da Silva Castanheira.