hippocampe

Un trio de jazz joue dans la pénombre d'un club. Le pianiste mène la mélodie, le contrebassiste tient le rythme, le batteur disperse ses roulements. Si l'on n'écoute que les paires de musiciens, on peut saisir comment le pianiste s'adapte à la basse ou la basse à la batterie.

En 2023, en Belgique, 101 personnes âgées de 50 à 69 ans ont passé plusieurs jours en laboratoire, où l'on a scanné leur cerveau, enregistré leur sommeil et demandé de résoudre des tâches de mémoire et d'attention. C'est ainsi qu'est né le jeu de données COFITAGE, dans lequel chaque participant est décrit sous cinq angles : moléculaire, structurel, physiologique, génétique et cognitif.

Dans la pénombre de l'aimant, la personne surveille de rares éclairs sur un écran. Une caméra infrarouge filme sa pupille mille fois par seconde, tandis qu'un appareil d'imagerie par résonance magnétique enregistre quelles zones du cerveau s'activent.

Le cerveau comme une maison construite trop spacieuse : agréable à habiter, mais coûteuse à entretenir. On se représente généralement la maladie de Parkinson comme la démolition de cette maison, quand les neurones meurent et que les structures se ratatinent.

Sur un bulletin scolaire, chaque note parle d'elle-même, mais pour comprendre comment un élève s'en sort globalement, il faut regarder l'ensemble du bulletin. Pour les médicaments qui agissent sur le cerveau, un tel bulletin a longtemps fait défaut.

Une personne âgée affirme avec assurance que le mot « tournesol » figurait dans la liste, alors que seul « amande » y était. Les deux mots renvoient à l'huile, et ce fil sémantique a suffi pour que le cerveau reconstitue un souvenir. La mémoire fonctionne comme une boussole : une aiguille pointe vers le sens, l'autre vers l'ordre des événements.

La classe se tait après la leçon, mais dans la tête de l'enfant résonne encore un écho : des visages, des objets, des lieux. C'est cet écho, et non la leçon elle-même, qui décide de ce qui restera en mémoire. Des chercheurs l'ont capté pour la première fois chez des enfants de 6 à 17 ans.

Une personne raconte un visage connu, et sa parole devient un miroir où se reflète le travail de la mémoire. Chez les patients atteints d'épilepsie temporale, ce miroir se trouble parfois : les mots se font plus lents à venir, les phrases s'interrompent, les pauses restent en suspens.

Un géologue gravit une pente de montagne et promène son appareil au-dessus des roches. L'appareil indique où se trouve un gisement de minerai de fer sous la surface et où la roche s'est fissurée. La cartographie magnétique du cerveau fonctionne à peu près de la même façon : elle révèle où le fer s'est accumulé dans les tissus et où l'enveloppe des fibres nerveuses est abîmée.

Un orchestre de trente-six instruments joue presque à l'unisson. Le chef d'orchestre tente de discerner quelle voix mène la mélodie, mais les sons se confondent, et chaque mesure suivante n'ajoute que du doute.

Se perdre dans une salle des glaces est un jeu d'enfant : chaque mur reflète l'autre, et l'on croit être déjà passé par là. C'est à peu près ce qui se passe dans le cerveau lorsqu'il y a beaucoup d'endroits similaires autour de soi. Les neurones chargés de la carte spatiale peuvent envoyer le même signal pour deux coins différents d'une pièce.

Le cerveau ressemble à un orchestre dont le chef est le cortex et le premier violon, le thalamus. Le thalamus transmet les signaux des yeux vers le cortex visuel. Mais le cortex peut aussi renvoyer des commandes en retour, ajustant le thalamus à la tâche en cours. Cela n'était auparavant qu'une hypothèse, désormais testée sur des humains.

Un médecin passe des années à apprendre à reconnaître les maladies sur les images du cerveau. D'abord, il repère parfaitement les signes du vieillissement, puis il maîtrise les tumeurs – et soudain, il se met à confondre ce qu'il savait auparavant. C'est à peu près ce qui arrive à de nombreux réseaux de neurones : les nouvelles connaissances effacent les anciennes.

Une ville la nuit : certaines fenêtres sont éclairées, d'autres sont sombres. Si l'on relie par des lignes les fenêtres qui s'allument simultanément, on obtient une toile de connexions. C'est une telle toile que des chercheurs ont étudiée pour de minuscules organoïdes cérébraux – des amas vivants de cellules nerveuses cultivés en laboratoire.

Imaginez un vieux théâtre dans un brouillard humide. Sur scène, une poignée d'acteurs, mais un seul est saisi par le faisceau du projecteur, figé dans une tache lumineuse. Les autres tourbillonnent dans la pénombre, prêts à s'évanouir à tout moment.

Vous racontez une histoire à un ami, et son cerveau semble s'accorder sur votre fréquence — les mêmes zones s'activent en rythme avec vos paroles.

Une particule quantique qui parcourt un anneau fermé laisse deux « enregistrements » différents sur son passage. Le premier est comme une empreinte digitale sur une poignée de porte : il reste inchangé, quel que soit le nombre de fois où l'on tourne la poignée, et ne renseigne que sur la forme et le matériau.

Un caissier de supermarché à l'heure de pointe ne mémorise pas chaque article scanné — il garde en tête le total et surveille la file d'attente. C'est à peu près ainsi que le cerveau répartit ses forces : le cortex, coûteux et précis (ce qui est responsable de la réflexion), et les noyaux sous-corticaux, plus simples et économes (où vivent les habitudes), travaillent en binôme.

Dans une grande salle d'audience, une réunion est en cours. Des centaines de neurones-interprètes entendent simultanément des bribes de phrases — et doivent en assembler une image cohérente. C'est exactement ainsi que les grands réseaux du cerveau transforment des signaux disparates provenant des yeux en une image unifiée d'un objet.

Un drap bien tendu reste posé sur une table pendant plusieurs jours. En apparence, il est immobile, mais les fibres du tissu conservent une tension : il suffit de relâcher légèrement un bord pour que les plis se propagent, réorganisant tout le motif. C'est à peu près ce que fait une couche de cellules épithéliales au repos.

Des ingénieurs construisent une voiture. Les uns assemblent une réplique exacte du moteur, chaque piston et chaque bougie, mais la voiture ne roule pas — pas de volant ni de roues. D'autres créent un kart rapide et autonome, mais son moteur en pâte à modeler ne ressemble pas à un vrai. C'est à peu près la situation dans la science du cerveau.

Un orchestre à la première répétition sans chef. Les violons attaquent à contretemps, les cuivres sont en retard, et au lieu d'une symphonie, c'est la cacophonie. C'est à peu près ce qui se passe dans un modèle informatique du cerveau lorsqu'on en retire des cellules particulières : les neurones de von Economo.

Quand on cherche ses clés, on passe en revue les endroits où elles pourraient être. Un oiseau qui, à l'automne, a glissé des centaines de graines dans des interstices les retrouve sans se tromper en hiver. Comment le cerveau peut-il contenir autant d'adresses si tous les oiseaux ont à peu près le même nombre de neurones ? La réponse se trouve dans la géométrie.

Un pré d'été ne revient pas en mémoire comme une simple image : avec elle reviennent l'odeur de l'herbe et la chaleur du soleil. Le cerveau colle les sensations en une image unique, et celle-ci tient plus solidement que chacune prise séparément. Mais comment exactement les neurones cousent-ils le visuel à l'olfactif est longtemps resté une énigme.

Le cerveau jongle constamment avec les tâches : tantôt il réagit à un bruit soudain, tantôt il résout une équation, tantôt il se laisse aller à la rêverie. Les scientifiques soupçonnaient depuis longtemps que des bascules entre différents « scénarios » de fonctionnement des réseaux de neurones étaient à l'œuvre, mais il était difficile de les isoler du chaos des signaux électriques.

Le cerveau est organisé comme un immeuble à plusieurs étages : les étages inférieurs traitent les signaux simples, tandis que les étages supérieurs les assemblent en images complexes. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que cet ordre est lié à la manière dont les neurones travaillent ensemble. Mais comment exactement restait un mystère.

Le vieillissement du cerveau ressemble à l'usure d'un pont : les fissures apparaissent sans qu'on les remarque, mais si l'on renforce les piliers à temps, la structure tient plus longtemps. Ces piliers se sont révélés être trois choses ordinaires : la force de la poignée de main, la capacité à bouger longtemps sans essoufflement et la capacité pulmonaire.

La parole ressemble à un orchestre où chaque note doit retentir au bon moment. Le cerveau transforme une pensée en une chaîne de sons en une fraction de seconde, et on ignorait jusqu'ici comment il gère cette hiérarchie — des sons individuels aux syllabes et aux mots entiers.

Le cerveau d'une souris compte environ 70 millions de neurones, et les connexions entre eux sont loin d'être réparties également : certaines cellules n'ont que quelques dizaines de contacts, d'autres en ont des milliers. C'est comme une ville avec des ruelles tranquilles et des places bondées.

Le cerveau ressemble à une immense ville : les quartiers-régions communiquent entre eux par des rues-voies nerveuses. Si les feux de signalisation à un carrefour tombent en panne, le trafic s'arrête. Il en va de même dans le cerveau : lorsque les faisceaux de fibres nerveuses (la substance blanche) fonctionnent mal, les régions éloignées cessent d'agir de manière coordonnée, et la pensée patine.

Un modèle de langage est une construction multicouche où chaque couche traite les mots à sa manière. Au début de l'apprentissage, les couches sont chaotiques, mais elles s'organisent progressivement en deux équipes. La première équipe fonctionne simplement : sa géométrie interne s'aplatit, devient moins enchevêtrée. La seconde reste complexe et sinueuse.

La nuit, le cerveau ne s'éteint pas. Au lieu de cela, il trie les événements de la journée, comme un bibliothécaire range les livres sur les étagères. Mais d'où viennent ces images étranges, parfois dénuées de sens, que l'on voit en rêve ? Beaucoup pensaient qu'il s'agissait simplement de bruit aléatoire, sans importance.

Au nord de la plaine d'Arabia Terra s'étendent des champs qui ressemblent à un cerveau géant : crêtes et sillons serpentent comme des circonvolutions. Sur Terre, de tels motifs apparaissent dans les régions froides lorsque l'eau du sol gèle puis dégèle, et que les pierres se rassemblent d'elles-mêmes en bandes.

En emménageant dans un nouvel appartement, on ne réapprend pas à ouvrir les portes ni à allumer la lumière. L'expérience de l'ancienne maison se transfère d'elle-même : la cuisine, c'est l'endroit avec la cuisinière et l'évier ; la chambre, celui avec le lit. Le cerveau ne stocke pas une carte exacte, mais un schéma flexible qu'il superpose à un espace inconnu.

Le cerveau accumule les impressions de la journée comme une pièce accumule les objets. La nuit, pendant le sommeil profond, il ne se repose pas seulement, il fait le ménage : il trie les événements de la journée et décide quoi garder et quoi jeter.

On essaie de ne pas penser à la dispute de ce matin, mais des images vives s'imposent à l'esprit. En parallèle, on prépare un rapport et on garde des chiffres en tête. Résultat : la mémoire perturbe le travail, et le travail empêche d'oublier. Des scientifiques ont voulu vérifier comment le cerveau gère cette double charge chez des personnes plus ou moins anxieuses.

Une zone du cerveau de la taille d'un petit pois fige le rat à mi-pas. Le faisceau laser atteint les cellules photosensibles, et l'animal s'arrête net, comme s'il avait heurté un mur invisible. C'est le noyau pédonculopontin rostral, un amas de neurones dans le tronc cérébral qui contrôle le mouvement.

Dans la salle d'opération, le silence. Le chirurgien enfonce lentement dans le cerveau du patient une aiguille plus fine qu'un cheveu humain. À son extrémité, pas une pointe, mais toute une palissade de neuf cent soixante microphones microscopiques. Chacun écoute sa minuscule parcelle de matière grise.