Les éléphants indiens ont apparemment un cerveau plus gros que le nôtre. Les souris ont un rapport de masse cerveau/corps plus élevé et les globicéphales à longues nageoires ont plus de neurones. Alors, qu’est-ce qui rend les humains – et plus particulièrement le cerveau humain – différents ?
En ce qui concerne les organes, l'énergie consommée par le cerveau humain est sans aucun doute énorme : près de 50 grammes de sucre, soit 12 morceaux de sucre, sont consommés chaque jour. Cette espèce a l’un des besoins énergétiques les plus élevés par rapport au métabolisme corporel de toutes les espèces connues. Mais qu’est-ce qui consomme cette énergie ? Si la taille et le nombre de neurones dans le cerveau humain correspondent aux prédictions des primates et que l’énergie consommée par neurone est comparable à celle des autres mammifères, alors la consommation d’énergie du cerveau humain ne devrait pas être unique.
Le coût de la signalisation
Une équipe de neuroscientifiques pense que la quantité de signaux dans le cerveau humain pourrait être responsable de l’augmentation de ses besoins énergétiques. L’un des résultats est que les zones du cerveau qui sont plus étroitement connectées et qui ont plus de signaux utiliseront plus d’énergie.
Pour tester leur hypothèse, les scientifiques ont d’abord photographié le cerveau de 30 volontaires droitiers en bonne santé, âgés de 20 à 50 ans. L'imagerie a été réalisée dans deux institutions différentes et les chercheurs ont utilisé l'imagerie pour corréler la dépense énergétique (mesurée par le métabolisme du glucose) de régions spécifiques du cerveau avec leurs niveaux de signalisation et de connectivité. Ils ont découvert que dans les 30 cerveaux, la dépense énergétique et la signalisation se produisaient simultanément. Mais certains domaines se démarquent. Les voies de signalisation dans certaines zones du cortex cérébral (la partie avant du cerveau) nécessitent près de 70 % d’énergie en plus que les voies de signalisation dans les zones sensorimotrices.
Le cortex frontal est l’une des régions dont l’expansion est la plus rapide au cours de l’évolution humaine. Robert Sapolsky estime : « Le rôle le plus important du cortex préfrontal est de prendre des décisions difficiles face à la gratification retardée par la tentation, à la planification à long terme, au contrôle des impulsions et à la régulation émotionnelle. Le cortex préfrontal est essentiel pour vous permettre de faire ce qu'il faut sur les choses les plus difficiles.
Le renforcement de la régulation est aussi la clé de la cognition
L'énergie est nécessaire non seulement pour la signalisation, mais également pour la régulation de la signalisation afin de garantir qu'elle se produit au niveau approprié et au moment approprié.
Les chercheurs ont utilisé l’Allen Brain Atlas pour étudier l’activité des gènes dans le cortex frontal. Ils ont constaté une activité accrue des neuromodulateurs et de leurs récepteurs. Les auteurs notent : « Le cerveau humain dépense trop d'énergie pour la régulation à long terme des neurotransmetteurs (rapides) avec des neuromodulateurs (lents) tels que la sérotonine, la dopamine ou la noradrénaline. Il existe également des opiacés endogènes. Cet effet consiste davantage à donner le ton de l'excitabilité globale qu'à fournir des informations individuelles.
Après avoir lié la consommation d'énergie à la signalisation et à la neuromodulation à action lente dans le cortex cérébral, la dernière chose que les scientifiques ont faite a été d'étudier un projet de réseau neuronal qui mappe les fonctions cognitives aux régions du cerveau. Il a été constaté que les parties du cortex cérébral consommatrices d’énergie, hautement connectées, hautement régulées et développées au cours de l’évolution sont celles impliquées dans des fonctions complexes telles que le traitement de la mémoire, la lecture et l’inhibition cognitive. Cela conforte leur point de vue selon lequel « une architecture de signalisation coûteuse est dédiée à la cognition humaine ».
Avancées scientifiques, 2023. DOI:10.1126/sciadv.adi7632