Les neuroscientifiques utilisent des modèles mathématiques pour reproduire la façon dont le cerveau traite les odeurs.
Savoir comment le cerveau réagit aux odeurs pourrait aider à combattre les maladies
Par Natalie Sabin
11 mai 2022 C Vous savez que des équations compliquées peuvent prédire quelle histoire apparaîtra dans votre fil d'actualité ou quelle vidéo TikTok vous regarderez ensuite. Mais vous ne savez peut-être pas que les mathématiques peuvent nous aider à comprendre ce qui se passe dans le cerveau lorsque nous sentons quelque chose.
Des chercheurs du Del Monte Institute for Neuroscience de l'université de Rochester sont en train de construire des modèles mathématiques complexes à cet effet. S'ils continuent à progresser, leurs travaux pourraient contribuer à la lutte contre les maladies du système nerveux, comme la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Décoder l'odorat
Chaque arôme avec lequel vous entrez en contact provoque des réactions dans votre cerveau. Croyez-le ou non, ces réactions peuvent être codées en chiffres.
La vue et les couleurs que nous voyons dans les jeux vidéo et sur les écrans d'ordinateur constituent une comparaison approximative. Les programmeurs informatiques ont travaillé pendant des décennies pour décomposer les millions de couleurs que l'on voit dans le monde réel en 1 et 0 qu'une machine peut comprendre.
Les joueurs de longue date ont suivi l'évolution des systèmes, des Nintendos et Ataris 8 bits aux Playstations et Xbox 64 bits, en passant par les écrans encore plus complexes et détaillés d'aujourd'hui. À chaque étape, l'augmentation de la taille des bits a permis une meilleure précision et plus de détails.
Instantané ou symphonie ?
Pour construire un modèle mathématique de l'odorat, il suffit d'avoir accès à une puissance de calcul extrêmement puissante, de connaître le modèle de Hodgkin-Huxley (l'épine dorsale de nombreuses équations en neurosciences), de disposer d'un catalogue des nombreuses recherches sur l'odorat et d'être vraiment, vraiment intelligent.
Les équations agissent comme un projecteur mathématique qui éclaire des parties du cerveau qui, autrement, ne seraient peut-être pas claires, explique Krishnan Padmanabhan, professeur agrégé de neurosciences à l'université de Rochester et auteur principal d'une nouvelle étude sur le système olfactif du cerveau, ou l'odorat.
L'odorat est l'une des parties du cerveau les moins bien comprises, explique Padmanabhan.
Au cours des 30 dernières années, de nombreuses théories ont été élaborées sur la façon dont l'odorat est traité, explique-t-il. Dans un modèle, les réponses aux odeurs sont représentées comme un instantané d'un moment précis. Dans d'autres, les modèles évoluent dans le temps, comme une symphonie.
Padmanabhan et son équipe ont cherché à comprendre pourquoi il existe tant de théories sur les odeurs dans la littérature scientifique et à mieux comprendre lesquelles sont vraies.
Il a donc construit avec son équipe une simulation informatique, utilisant uniquement des équations, qui est similaire au système cérébral de l'odorat. Ils ont ensuite modifié les équations pour tester les théories sur la façon dont le cerveau fonctionne lorsqu'il rencontre une odeur.
Les résultats (pour l'instant)
Les résultats suggèrent que la manière dont le cerveau traite les odeurs dépend de ce qu'il doit comprendre sur le moment.
Nos résultats révèlent que ces différents modèles peuvent en fait être les différentes faces d'une même pièce, explique Padmanabhan. Plutôt que de choisir une approche spécifique pour traiter les odeurs, le cerveau pourrait basculer entre différentes stratégies pour interpréter les odeurs dans l'environnement.
En d'autres termes, le cerveau adapte sa réponse à ce qui se passe dans le monde qui nous entoure. C'est une bonne chose, car le rôle du cerveau est de maintenir l'équilibre de l'organisme et de nous garder en vie dans tous les types de situations, et la flexibilité l'aide à réagir en conséquence. (Les chercheurs n'ont pas programmé d'odeurs spécifiques, mais ils pourraient le faire à l'avenir, précise Mme Padmanabhan).
Ces travaux ont également des implications pour la santé. Des modifications de l'odorat ont été associées à des troubles cérébraux tels que les maladies de Parkinson et d'Alzheimer. Avec le temps, une meilleure compréhension de ces changements pourrait permettre de mieux les détecter et les traiter.
Pour l'instant, le modèle de Padmanabhans n'est qu'une petite pièce importante dans le décodage du grand puzzle du fonctionnement du cerveau.
Tout comme les graphiques 8 bits ont conduit aux 16 bits, puis aux écrans photoréalistes que nous voyons aujourd'hui, le modèle de Padmanabhans peut aider à jeter les bases de développements plus importants et plus avancés à venir.
Cette recherche consiste à utiliser le langage des mathématiques pour étudier le cerveau, explique M. Padmanabhan, mais aussi à utiliser ce que nous savons du cerveau pour trouver de meilleures façons d'écrire des équations et de construire des systèmes informatiques dans le domaine des neurosciences.
