Deux cent trente-cinq ans après que le scientifique italien Luigi Galvani eut signalé le tremblement de jambes de grenouille démembré en réponse à une charge statique appliquée à un nerf, nous explorons toujours les mystères de ce qu’il a appelé «l’électricité animale», en particulier dans le cerveau. Que le cerveau génère un peu de sa propre électricité, ce qui peut être détecté par un électroencéphalogramme, ou EEG, est bien établi, de même que le fait que certains neurochirurgiens utilisent parfois des électrodes très fines pour stimuler les structures cérébrales profondes et stopper les tremblements de Parkinson. Mais les scientifiques explorent maintenant une question qui est ahurissante: les doses d'électricité à basse tension, transmises par les cheveux, la peau et le crâne directement dans certaines régions du cerveau, peuvent-elles rendre les personnes déjà en bonne santé plus nettes et plus alertes?
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AcheterAron Barbey, un neuroscientifique de 39 ans de l'Université de l'Illinois, est un chef de file dans cette recherche, même s'il est extrêmement prudent quant à ses perspectives. Il s'oppose à l'idée que les centres commerciaux et les aéroports de demain proposeront des stations de recharge cérébrale commerciales et des versions actualisées des arrêts de massage d'aujourd'hui, mais si cet avenir (ou quelque chose du genre) se concrétise, son travail aura joué un rôle essentiel dans sa réalisation. . Barbey est le directeur du laboratoire de neurosciences de décision de l'interface utilisateur de l'Institut Beckman pour les sciences et technologies avancées de l'université. Ses expériences semblent indiquer une époque où étudiants, soldats, cadres et personnes âgées pourraient tous bénéficier d'un traitement appelé courant transcranien. stimulation (tDCS).
Dans une pièce sans fenêtre de la base aérienne Wright-Patterson, près de Dayton, dans l'Ohio, je regarde John McIntire, un volontaire civil âgé de 33 ans, recevoir un tDCS. Il est assis devant un ordinateur et clique sur une série de minuscules lumières clignotantes, un bandage de gaze enroulé sous son menton et en haut de sa tête. Le pansement maintient un petit groupe d'électrodes en place sur le côté supérieur gauche de la tête. Il y a un autre groupe d'électrodes sur le bras supérieur droit. Les fils d'une petite boîte bleue sur le bureau portent une faible charge électrique qui circule de la boîte vers les électrodes sur sa tête et vers le bas, de son cerveau jusqu'aux électrodes sur son bras. Les chercheurs pensent que le courant frappe certaines zones clés de son cerveau moyen, notamment le locus coeruleus, qui libère de la noradrénaline et est impliqué dans l'attention et la veille.
«Je me sens bien», a déclaré McIntire à la fin de la session de 30 minutes. At-il éprouvé des sensations physiques alors que le courant passait dans son cerveau? «Non, dit-il, je ne peux pas vraiment dire si je reçois le traitement ou non.» Comme il s’agit d’une étude à double insu, certains sujets reçoivent un simulacre de tDCS, sans courant. (Les chercheurs ont dit que McIntire avait ce qu'il fallait.) Les chercheurs disent qu'ils n'ont pas constaté d'effets secondaires importants, mais seulement quelques sensibilités cutanées aux électrodes. Certains sujets qui reçoivent un tDCS signalent des maux de tête par la suite, mais il en est de même pour ceux qui reçoivent un traitement simulé.
L'étude en cours à Wright-Patterson est une collaboration entre le groupe de Barbey et le Air Force Research Laboratory (AFRL). Ce n’est qu’une des nombreuses expériences que Barbey a lancées auprès de partenaires de recherche majeurs. «Notre objectif, explique-t-il, est de comprendre les mécanismes neuronaux qui sous-tendent l'intelligence humaine et la prise de décision - la manière dont l'intelligence et la prise de décision sont mises en œuvre dans le cerveau - puis d'utiliser ces connaissances pour développer ces nouvelles interventions."
Il n’est pas difficile de comprendre pourquoi l’armée de l’air serait intéressée par ce que Barbey a à offrir. Une grande partie de son personnel passe jusqu'à 12 heures par jour, six jours par semaine, à regarder des images d'imagerie de surveillance et à essayer d'identifier leurs marques de drones. Les recherches montrent que leur performance commence à décliner après seulement 20 minutes de service. «Absence de cibles dans des situations de combat réelles est un gros problème, car cela pourrait coûter la vie à quelqu'un», déclare Andy McKinley, neuroscientifique à l'AFRL. «Et nous pensons que tDCS pourrait être un outil pour aider les analystes, lorsqu'ils commencent à être fatigués, à maintenir leurs performances.»
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Cet article est une sélection du numéro de mai du magazine Smithsonian
AcheterJusqu'à présent, les résultats ont été prometteurs. Dans une série d'études publiées depuis 2013 dans NeuroImage, Brain Stimulation et d'autres revues, il a été démontré que le tDCS à lui seul réduisait la fatigue et améliorait ou préservait la performance. Les membres du service qui ont reçu le courant le matin étaient beaucoup plus alertes et vigilants que les sujets témoins lorsqu'ils ont été testés en fin d'après-midi. Le traitement semblait également améliorer leur humeur et leur niveau d'énergie. McKinley, qui travaille avec tDCS depuis 2007, affirme que l'effet d'une dose de tDCS de 30 minutes de deux milliampères le matin «dure toute la journée». Dans une étude connexe sur le manque de sommeil AFRL, à paraître, les sujets ont été maintenus éveillés pendant 21 heures, puis traités avec de la caféine, un fictif TDCS ou un tDCS réel avant de continuer leurs tâches pendant 15 heures supplémentaires. Les membres du troisième groupe ont revendiqué deux fois plus de précision dans la recherche des cibles des deux autres groupes. Ils ont également signalé des scores d'humeur subjectifs plus élevés et ont déclaré que le TDCS leur donnait l'impression d'être rafraîchis.
Le protocole que Barbey a conçu associe la technologie TDCS, la nutrition et des exercices cognitifs et physiques dans un schéma thérapeutique complet, avec le potentiel d’améliorer tout, des compétences en mathématiques au raisonnement abstrait. À travers son travail, il explore la nature et la structure de l'esprit humain et, ce faisant, demande ce que signifie réellement être intelligent.
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C’est son travail avec une autre génération de membres du service qui a enseigné à Barbey les subtilités du cerveau humain. Entre 2007 et 2011, il a été chercheur aux National Institutes of Health et a étudié un groupe d'anciens combattants vietnamiens victimes de traumatismes cérébraux. Les dommages avaient été causés par des blessures causées par des éclats d'obus et par des balles à faible vitesse - ils se limitaient à des zones distinctes, ce qui signifiait que la plupart de leurs fonctions cognitives étaient préservées. Les emplacements et la taille de leurs blessures ont provoqué différents déficits, notamment des problèmes de mémoire, de langage et de fonctions cognitives supérieures telles que la planification et la résolution de problèmes.
À l'aide d'un processus appelé cartographie des lésions, Barbey a rassemblé des images diagnostiques du cerveau des anciens combattants, puis a comparé l'anatomie endommagée des hommes à leurs problèmes documentés. Le résultat a été un atlas cérébral qui a permis de relier des fonctions cognitives spécifiques à leurs réseaux neuronaux sous-jacents.
John McIntire, psychologue de recherche en génie âgé de 33 ans, est volontaire pour la stimulation transcrânienne à courant continu à la base aérienne Wright-Patterson. (Lynn Johnson) 
Les expériences TDCS impliquent la fixation d'électrodes à la tête et la transmission de doses d'électricité à basse tension que le sujet humain ne peut pas ressentir. (Lynn Johnson) 
McIntire se prépare pour le tDCS. (Lynn Johnson) 
Un participant à la recherche à l’Université de l’Illinois se prépare à utiliser un appareil d’IRM. Les chercheurs utilisent ces données pour analyser la structure et la fonction cérébrales des sujets recevant un tDCS. (Lynn Johnson) 
Le traitement est conçu pour améliorer les performances sur une tâche spécifique. Ici, les sujets de recherche des étudiants utilisent des tablettes pour compléter un programme d’entraînement cognitif en tant que cours de faible niveau de courant électrique dans leur cerveau. (Lynn Johnson) 
Le neuroscientifique Aron Barbey résiste à l'idée de stations de recharge cérébrale dans les centres commerciaux et les aéroports. En fait, il préférerait ne pas spéculer sur de telles choses. (Lynn Johnson) 
Barbey prend une pause de méditation. Fidèle à son approche holistique du cerveau, il prend le temps de méditer chaque jour et le trouve particulièrement utile pour faire face aux tensions liées au travail, telles que le traitement des demandes de subvention. (Lynn Johnson) 
Terry Brann se fait avoir pour des tests sur la façon dont la forme améliore le cerveau. (Lynn Johnson) 
La nutrition et les exercices cognitifs font également partie du protocole de Barbey. (Lynn Johnson) 
Les chercheurs affinent une étude sur la condition physique et le cerveau. Les membres de la Force aérienne font de bons sujets parce qu'ils sont en bonne forme physique. (Lynn Johnson) 
L’armée de l’air s’intéresse aux expériences de Barbey car le personnel absorbé par les écrans d’ordinateur risque de perdre de sa concentration et de fatiguer. (Lynn Johnson) 
En recueillant des images de diagnostic d'anciens combattants vietnamiens ayant subi un traumatisme au cerveau, Barbey a trouvé l'expérience «incroyablement profonde». (Lynn Johnson) S'appuyant sur ces connaissances, Barbey, avec divers coauteurs, publia une série d'articles sur les réseaux cérébraux pour l'intelligence générale, l'intelligence émotionnelle, la flexibilité cognitive, la mémoire de travail, etc. Dans ce qui pourrait être considéré comme son chef-d'œuvre de cartographie des lésions, publié dans la revue Brain en avril 2012, Barbey et ses collègues ont présenté de manière ambitieuse une architecture pour l'intelligence générale et la fonction exécutive - des comportements complexes orientés vers un objectif qui impliquent des parties du cerveau largement réparties, y compris le cortex préfrontal. Cette étude, l'une des plus vastes et des plus complètes du genre à ce jour, portait sur 182 anciens combattants vietnamiens et concluait que l'intelligence "reflétait la capacité d'intégrer efficacement les processus verbaux, spatiaux, moteurs et exécutifs via un ensemble circonscrit de connexions corticales". Barbey et son équipe ont pu identifier nombre de ces liens et décrire leur fonctionnement.
L'expérience de Barbey avec les vétérans lui a laissé bien plus qu'un CV impressionnant. «C’était incroyablement profond», a déclaré Barbey, qui est actuellement rédactrice en chef ou membre du conseil d’administration de quatre revues, dont Frontiers in Neuroscience . «Nous passons tout ce temps à développer ces théories, à réfléchir à la nature de l'esprit humain et à travailler dur pour essayer de comprendre la fonction de ces réseaux cérébraux. Et cela devient cette entreprise très scientifique, très technique. Mais ensuite, une fois que vous avez commencé à travailler avec des personnes, des patients, des vétérans du Vietnam, il devient immédiatement évident que cette question très importante est en jeu. Et il s’agit vraiment d’améliorer la qualité de vie des personnes et de trouver des solutions à ces problèmes extrêmement difficiles auxquels elles sont confrontées. »
L’énorme complexité du cerveau lui-même est le principal obstacle à la résolution de tels problèmes. Ou alors, semble-t-il. Mais cette complexité même permet également à la science d'améliorer les performances sur un large éventail de tâches, à condition que les chercheurs sachent quels réseaux cibler. Selon Barbey, pour stimuler les réseaux appropriés, il faut savoir lesquels sont impliqués dans une tâche donnée et pouvoir cibler ces réseaux à la dose et à la durée appropriées. «Alors, comment savoir si nous stimulons les bonnes structures?» Demande-t-il. «Cela dépend de la tâche. La tâche est critique. "
Dans l'ombre de tout ce que nous ignorons sur le cerveau, le TDCS apporte un nouvel éclairage sur son fonctionnement. Les neurones sont le support de l'activité électrique dans le cerveau, mais comme le souligne Barbey, "ils sont environ 100 milliards et possèdent de nombreuses propriétés qui nous échappent". Ses recherches portent sur l'intelligence humaine et la prise de décision. L'intelligence, dit-il, émerge de l'interaction de multiples réseaux cérébraux, dont le réseau exécutif central, un système neuronal distribué (une sorte de toile d'araignée tridimensionnelle) bien connu pour ses fonctions de planification, de résolution de problèmes, de la prise de décision.
Dans une expérience typique de tDCS ciblant le réseau exécutif central, Barbey arrange les électrodes pour envoyer le courant à travers les lobes frontaux et pariétaux pendant que ses sujets effectuent une tâche informatisée. Dans l'un de ces tests, appelé tâche N-Back, les participants reçoivent des lettres et doivent se rappeler s'ils correspondent aux lettres qu'ils ont déjà vues.
Barbey dit que le courant électrique améliore l'excitabilité des neurones impliqués dans la tâche, en les rendant plus susceptibles de se déclencher et en renforçant les connexions synaptiques entre eux. «Les neurones qui tirent ensemble sont reliés», dit Barbey, citant un axiome du légendaire psychologue canadien Donald Hebb. Dans un article de septembre 2015, le scientifique de l'AFRL, Ryan Jankord et ses collègues, ont rapporté que 30 minutes de tDCS chez le rat «induisaient une amélioration robuste» des connexions entre les cellules de l'hippocampe qui sont essentielles à l'apprentissage et à la mémoire.
Chez l'homme, le TDCS semble également recruter des neurones supplémentaires non impliqués à l'origine dans une tâche, créant ce que Barbey appelle des sous-réseaux qui améliorent les performances. Mais il n'y a rien de intrinsèquement bénéfique à augmenter l'excitabilité des neurones, ajoute-t-il. «Ce n'est efficace que dans des conditions spécifiques, lorsque vous fournissez du courant électrique aux régions impliquées dans la tâche.» Il s'agit d'un élément clé de la manière dont il gère le tDCS: le sujet doit utiliser activement les parties du cerveau en question. Toujours prudent, Barbey souligne que «les mécanismes biophysiques sous-jacents ne sont pas bien caractérisés». En d'autres termes, les chercheurs ne savent pas très bien pourquoi le tDCS fait ce qu'il fait.
Certains se sont demandé si cela ne faisait rien du tout. En janvier 2015, le scientifique australien Jared Horvath et deux de ses collègues ont publié une analyse de plus de 200 études TDCS. Leur conclusion: «Notre analyse quantitative ne supporte pas l’idée que le tDCS génère un effet fiable sur la cognition chez des adultes en bonne santé.» Le document a déclenché une controverse, les défenseurs du tDCS remettant en cause les méthodes de Horvath - il a exclu plus de 170 études dont les résultats n’avaient pas abouti. été répliqué par au moins un autre laboratoire. Barbey reprend le point de vue d'Horvath et note que, même si le tDCS a fait l'objet de nombreuses recherches, son enthousiasme a «dépassé les théories mécanistes» de son fonctionnement. Ces lacunes dans les connaissances, dit-il, retardent l'élaboration de protocoles plus efficaces et produisent une diversité de résultats qui ne peuvent être expliqués, se prêtant à des critiques comme celle de Horvath.
«Les gens tentent de changer de conscience depuis qu'ils se sont rendus compte de la conscience», explique Jonathan D. Moreno, professeur d'éthique médicale et de politique de la santé à la Faculté de médecine Perelman de l'Université de Pennsylvanie. Moreno dit qu'il est déçu par les progrès réalisés dans le domaine des technologies de l'information et de la technologie. «Je pense simplement que nous sommes encore trop dans les bois à ce sujet et que nous le serons pour longtemps», dit-il. «Cela dépend de qui vous essayez d’améliorer et pour quoi. Vous ne pourriez jamais me faire devenir Einstein et Einstein n'a probablement pas besoin de beaucoup d'amélioration. "
Il est moins sceptique quant à l'utilisation thérapeutique du tDCS pour rétablir un certain degré de fonctionnement normal chez les personnes atteintes de certains troubles. «Le traitement semble être plus faisable que l’amélioration», dit-il. De nombreuses études au cours des dernières années ont montré qu’il pouvait constituer un traitement efficace contre la dépression majeure, le syndrome de stress post-traumatique et d’autres problèmes neuropsychiatriques. Il a également été prometteur pour les patients atteints de la maladie d'Alzheimer ou d'un AVC lors de tâches de mémoire de mots et de reconnaissance d'images. Et une étude menée en 2014 a révélé que le TDCS améliorait l'apprentissage des langues, suggérant son potentiel en tant que traitement des déficits linguistiques causés par les accidents vasculaires cérébraux. Des recherches menées par l’armée de l’air, non liées à des troubles cliniques, peuvent indiquer un autre avantage potentiel du tDCS thérapeutique: des équipes de chercheurs en Allemagne, au Brésil et aux États-Unis ont découvert que deux semaines de tDCS quotidien pouvaient entraîner des semaines, voire des mois, de performances améliorées. une tâche très spécifique. «Il semblerait que vous apportiez des modifications durables aux connexions neuronales dans le cerveau», déclare McKinley.
Un projet de 42 mois appelé Insight pourrait fournir des réponses plus concrètes. Le laboratoire de Barbey a lancé le programme en 2014 avec un financement de 12, 7 millions de dollars du Bureau du directeur du renseignement national. C'est l'une des plus importantes études jamais réalisées sur la capacité de raisonner dans de nouvelles conditions. L'objectif déclaré du gouvernement est d'améliorer le raisonnement adaptatif et les compétences en résolution de problèmes du personnel du renseignement. Sous la supervision de Barbey, 1 000 volontaires en bonne santé âgés de 18 à 44 ans (dont beaucoup d'étudiants de l'Université de l'Illinois) reçoivent des doses de TDCS tout en effectuant des exercices d'entraînement cognitif testant ces compétences. Mais ce n’est qu’une partie du protocole: ils suivent également des séances d’entraînement physique, et leur régime alimentaire et leur état de santé nutritionnel font l’objet d’un suivi.
L'exercice peut sembler de faible technicité comparé au tDCS. Mais Barbey s’intéresse autant au pouvoir de la sueur qu’au potentiel de l’électricité. Il participe à un autre projet avec l’armée de l’air axé sur l’entraînement par intervalles à haute intensité. L’exercice en soi s’est déjà révélé au moins aussi efficace que le tDCS pour améliorer les performances cognitives. Bien que Barbey indique que l’essai clinique définitif reste à faire, plus de 40 années de recherche démontrent une augmentation du volume de matière grise chez les personnes âgées en forme aérobique, ainsi qu’un risque de déclin cognitif réduit de 40% chez les personnes qui font de l’exercice régulièrement. Les patients atteints de la maladie d'Alzheimer qui participent à des programmes d'exercices aigus ont augmenté le facteur neurotrophique dérivé du cerveau, une protéine qui favorise la santé et la croissance des cellules cérébrales.
Selon Barbey, l'exercice exerce un effet particulièrement impressionnant sur les fonctions exécutives. «Si nous devions sortir maintenant et courir à toute vitesse jusqu'au bout de la rue, puis à fond», dit Barbey, «quand nous nous sommes assis ici pour poursuivre notre conversation, nous soyez plus attentifs, notre mémoire serait améliorée, nous aurions de meilleures fonctions de contrôle exécutif, et ces effets dureraient environ 20 à 30 minutes. "
Barbey veut également comprendre l'impact de la nutrition sur la santé et la cognition du cerveau. «Nous savons que si vous voulez être un athlète, vous devez manger des choses particulières et participer à des types particuliers d'activité physique», a-t-il déclaré. «Cette nutrition agit également sur le cerveau.» Les sujets de son projet Air Force utilisent un supplément spécial créé par le laboratoire de Barbey en collaboration avec Abbott Nutrition. La formule est propriétaire, mais Barbey dit qu'elle inclut des ingrédients pour promouvoir la force musculaire, la santé cardiovasculaire et la forme aérobie, ainsi que la santé du cerveau. «En plus de cela, nous avons des profils nutritionnels spécifiques qui, nous le supposons, jouent un rôle important dans l'amélioration de la santé cérébrale et des capacités cognitives», a-t-il déclaré. En bref, Barbey pense que l'exercice et la nutrition peuvent offrir des avantages durables et holistiques que la simple stimulation de réseaux cérébraux spécifiques ne produira probablement jamais.
La TDCS reste toutefois la plus exotique des interventions. Il est tentant de supposer que plusieurs traitements peuvent augmenter l'intelligence générale au lieu d'améliorer simplement les performances de la tâche à accomplir. Mais Barbey n'a trouvé aucune preuve que le tDCS puisse rendre une personne plus intelligente à tous les niveaux. «La réponse semble être non», dit-il.
C'est une des raisons pour lesquelles il envisage un avenir dans lequel les utilisateurs utiliseront des outils de résolution de conflit ciblés parallèlement à des changements de mode de vie: ces derniers amélioreront leur santé globale et leurs performances mentales, tandis que les premiers amélioreront leurs capacités cognitives spécifiques. Selon Barbey, la série d'interventions dépendra des objectifs de chacun. Un sujet peut par exemple vouloir améliorer sa mémoire de travail et avoir besoin de renforcer les réseaux cérébraux impliqués. «La capacité de développer une intervention sur mesure dépend de la compréhension des mécanismes sous-jacents», explique Barbey. "Si nous ne comprenons pas les mécanismes, nous ne pourrons certainement pas réaliser l'adaptation".
Mais Barbey sait que son travail nourrit une autre vision du futur, une vision dans laquelle des personnes de tous les types de milieux privés et commerciaux peuvent régulièrement s’asseoir pour des séances de réflexion. Il préférait ne pas spéculer sur de telles choses, mais quand on lui a demandé si ce modèle pourrait exister dans 50 ans - une sorte de LensCrafters pour le cerveau - il a déclaré: «En supposant que nous sommes sur la bonne voie, en supposant que le TDCS peut produire des améliorations robustes, alors oui. »Il revient ensuite rapidement à la réalité actuelle. «Mais nous en apprenons toujours plus sur ces méthodes et nous menons encore des expériences pour évaluer leur efficacité. Donc c'est encore trop tôt. Et c'est ce qui se passe avec le commercialisme. Ils vont beaucoup trop vite. »Barbey a une vision globale de l'industrie commerciale de la formation du cerveau et ne veut pas que les gens confondent son travail avec ses offres. Des millions d'utilisateurs de smartphones, par exemple, ont téléchargé des jeux comme Lumosity, qui prétendent améliorer considérablement la mémoire. «Il existe clairement des preuves suggérant que si vous jouez à un jeu de mémoire de travail, vous vous améliorerez à ce jeu de mémoire de travail», dit-il. "Ce qui est moins clair, c'est si cela a un autre impact." (Le scepticisme de Barbey a été renforcé en janvier, lorsque Lumosity a accepté de débourser 2 millions de dollars pour régler les accusations fédérales de publicité trompeuse alléguant que son produit pourrait ralentir le déclin cognitif. Un jugement de 50 millions de dollars a été suspendu parce que l'entreprise n'avait pas l'argent.)
Barbey insiste sur le fait qu'il n'y a pas de raccourci en neuroscience. Au moins deux appareils tDCS commerciaux, Halo et Thync, sont actuellement disponibles, mais il est découragé par la suggestion qu'il est possible de devenir plus intelligent en tournant simplement un commutateur ou en jouant à un jeu. «Nous devons vraiment prendre la route difficile», dit-il. Pour Barbey, le cerveau n'exige rien de moins.
