Exploration de l’architecture du réseau en mode par défaut humain : Étude basée sur la cytoarchitecture, le câblage et le flux de signal

Contexte académique

Le réseau en mode par défaut (Default Mode Network, DMN) est un ensemble de régions cérébrales hautement actives au repos, principalement distribuées dans les lobes frontal, temporal et pariétal. Le DMN joue un rôle crucial dans la pensée complexe et les comportements humains, notamment dans les tâches cognitives orientées vers l’intérieur telles que la réflexion sur soi, l’extraction de souvenirs et la planification future. Cependant, bien que l’importance fonctionnelle du DMN soit largement reconnue, sa structure interne et ses mécanismes de traitement de l’information restent mal compris. Les recherches précédentes se sont principalement concentrées sur la connectivité fonctionnelle du DMN, mais ses caractéristiques cytoarchitecturales et de connectivité neuronale spécifique n’ont pas été suffisamment explorées. Pour mieux expliquer le rôle du DMN dans le traitement de l’information et la communication corticale, les chercheurs ont décidé de combiner des techniques d’histologie post-mortem et de neuroimagerie in vivo afin d’explorer l’anatomie du DMN.

Source de l’article

Cet article intitulé « The architecture of the human default mode network explored through cytoarchitecture, wiring and signal flow » a été réalisé par Casey Paquola, Margaret Garber, Stefan Frässle et plusieurs autres chercheurs issus de diverses institutions internationales renommées, notamment l’Institut Neurologique de Montréal de l’Université McGill (Montreal Neurological Institute, McGill University) et le Centre de Recherche de Jülich (Forschungszentrum Jülich) en Allemagne. L’article a été publié en ligne le 6 décembre 2024 dans la revue Nature Neuroscience.

Processus de recherche et détails

1. Analyse de l’hétérogénéité cytoarchitecturale

La recherche commence par une analyse de l’hétérogénéité cytoarchitecturale du DMN à partir de données histologiques post-mortem. Les chercheurs ont utilisé la base de données BigBrain, qui contient une reconstruction 3D haute résolution de coupes cérébrales issues d’un homme de 65 ans, colorées avec de l’argent pour mettre en évidence les corps cellulaires. En classifiant la cytoarchitecture des régions du DMN, ils ont découvert que le DMN comprend plusieurs types cellulaires, allant des zones spécialisées dans le traitement unimodal à celles impliquées dans le traitement multimodal et mnésique. Plus précisément, le DMN contient cinq types cellulaires, dont le type eulaminate-i (cortex hétéromodal) est significativement surreprésenté dans le DMN par rapport aux autres réseaux fonctionnels.

2. Analyse de la connectivité structurale

Ensuite, l’équipe de recherche a combiné la technique d’imagerie par résonance magnétique de diffusion (diffusion MRI) pour analyser la connectivité structurale du DMN. Ils ont utilisé un modèle d’efficacité de navigation (navigation efficiency, ENAV) pour évaluer l’efficacité de la communication entre le DMN et d’autres régions cérébrales. Les résultats montrent que certaines régions du DMN (comme le cortex cingulaire antérieur et le précunéus) présentent une efficacité de communication plus élevée avec d’autres régions cérébrales, en particulier avec les régions corticales liées à la perception. Cela indique qu’il existe dans le DMN une zone centrale recevant des entrées externes, tandis que d’autres régions sont relativement isolées des entrées environnementales.

3. Analyse du flux de signal fonctionnel

Pour mieux comprendre le flux de signal fonctionnel dans le DMN, l’équipe de recherche a utilisé le modèle de causalité dynamique par régression (regression dynamic causal modeling, RDCM) pour analyser les données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) au repos. Ils ont découvert que la sortie de signal du DMN est équilibrée entre différents niveaux hiérarchiques sensoriels. Contrairement à d’autres réseaux fonctionnels, la force des signaux sortants du DMN est uniformément distribuée entre différents types de régions corticales, ce qui indique que le DMN peut influencer tous les niveaux de traitement sensoriel de manière relativement cohérente.

4. Validation au niveau individuel

Pour valider l’universalité des résultats, l’équipe de recherche a également mené des expériences d’imagerie par relaxométrie T1 quantitative (quantitative T1 relaxometry MRI) à haute résolution chez huit individus sains. Les résultats montrent que l’axe microstructurel au niveau individuel présente une forte similitude avec l’axe cytoarchitectural obtenu à partir des données histologiques, confirmant ainsi la présence d’une “zone de réception” recevant des entrées externes et d’une “zone centrale” relativement isolée dans le DMN.

Résultats de la recherche

1. Hétérogénéité cytoarchitecturale du DMN : Le DMN contient plusieurs types cellulaires, avec une surreprésentation significative du type eulaminate-i (cortex hétéromodal), ce qui suggère un rôle unique du DMN dans l’intégration des informations multimodales.
2. Connectivité structurale du DMN : Certaines régions du DMN montrent une efficacité de communication plus élevée avec d’autres régions cérébrales, en particulier avec les régions corticales liées à la perception, tandis que d’autres régions sont relativement isolées des entrées externes.
3. Flux de signal fonctionnel du DMN : La sortie de signal du DMN est équilibrée entre différents niveaux hiérarchiques sensoriels, ce qui indique que le DMN peut influencer tous les niveaux de traitement sensoriel de manière relativement cohérente.
4. Validation au niveau individuel : L’axe microstructurel au niveau individuel présente une forte similitude avec l’axe cytoarchitectural obtenu à partir des données histologiques, confirmant ainsi l’universalité des résultats.

Conclusion et signification

Cette étude révèle pour la première fois de manière systématique les relations complexes entre la cytoarchitecture, la connectivité neuronale et le flux de signal fonctionnel du DMN. En combinant des techniques d’histologie post-mortem et diverses méthodes de neuroimagerie in vivo, les chercheurs ont découvert que le DMN présente une forte hétérogénéité cytoarchitecturale, avec une “zone de réception” recevant des entrées externes et une “zone centrale” relativement isolée. De plus, le DMN présente une sortie de signal équilibrée, capable d’influencer tous les niveaux de traitement sensoriel de manière relativement cohérente. Ces découvertes fournissent une base anatomique importante pour comprendre le rôle étendu du DMN dans la cognition et le comportement humains.

Points forts de la recherche

1. Combinaison de techniques multimodales : L’étude combine des techniques d’histologie post-mortem et diverses méthodes de neuroimagerie in vivo, offrant une compréhension complète de la structure du DMN.
2. Équilibre unique de la sortie de signal : Le DMN présente un équilibre unique dans la sortie de signal, ce qui offre une nouvelle perspective pour comprendre son rôle dans les hiérarchies sensorielles.
3. Validation au niveau individuel : L’étude valide les résultats au niveau individuel grâce à l’imagerie par relaxométrie T1 quantitative à haute résolution, renforçant ainsi la fiabilité de la recherche.

Autres informations utiles

L’étude souligne également que la complexité cytoarchitecturale et la connectivité du DMN pourraient expliquer sa participation étendue dans divers états cognitifs. Par exemple, certaines régions du DMN peuvent jouer des rôles différents selon les tâches, tandis que l’ensemble du réseau peut coordonner les activités de différentes régions cérébrales grâce à une sortie de signal équilibrée. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour les recherches futures, notamment sur la reconfiguration dynamique du DMN lors de tâches cognitives et son rôle potentiel dans les maladies neurologiques.