Équipe Cophy : modéliser l’activité cérébrale pour mieux soigner

Percevoir et agir

Pour espérer comprendre le fonctionnement d'un organe aussi complexe que le cerveau, l'union des expertises est indispensable. C'est pourquoi en octobre dernier, Inria s'est officiellement associé à l'équipe Cophy (Cognition, Calcul, Neurophysiologie), commune jusqu'ici au CNRS et à l'Inserm et implantée au sein du Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (CRNL). L'équipe-projet ainsi créée compte cinq chercheurs permanents qui combinent neurosciences et informatique autour d'un objectif ambitieux : comprendre la perception, ses modulations par l'attention, l'apprentissage et ses liens avec l'action. En d'autres termes ? Identifier les relations entre les processus neurophysiologiques et leur traduction comportementale."

Nous nous appuyons notamment sur l'imagerie cérébrale et les méthodes computationnelles pour mettre au point des modèles capables de prédire les conséquences comportementales de certaines activations neuronales, ou encore d'identifier des biomarqueurs de différents déficits ou troubles, comme l'autisme, le trouble déficit de l'attention avec ou sans hyperactivité (TDAH), l'épilepsie" détaille Elif Köksal-Ersöz, chercheuse Inria au sein de Cophy.

Mieux comprendre les décharges interictales

C'est d'ailleurs sur l'épilepsie en particulier que la chercheuse travaille depuis 2019. « J'ai d'abord développé des modèles computationnels qui permettent, en modifiant certains paramètres, de passer de la simulation d'un cerveau normal à celui d'un cerveau épileptique, explique-t-elle. Et au cours de ces recherches, j'ai appris qu'il existe aussi une activité pathologique en dehors des crises : les décharges interictales. » Celles-ci n'engendrent pas de symptômes visibles par le patient, mais s'observent sur les enregistrements de l'activité cérébrale.

Or de précédentes études ont montré que cette activité inhabituelle perturbe l'organisation du cerveau dans son ensemble et non pas uniquement dans les zones épileptogènes.

Ces décharges seraient liées à des déficits de certaines fonctions exécutives, telles que l'attention, la mémoire à court terme, le langage, etc. Elles sont donc une cible potentielle pour la prise en charge de la maladie dans son ensemble et non plus seulement des crises.

Cependant, jusqu'ici, elles sont peu modélisées et donc peu comprises. Elif Köksal-Ersöz compte bien combler ce manque et Cophy constitue l'équipe idéale pour y parvenir.

Modéliser l'effet des décharges sur l'attention ou l'encodage

La chercheuse a par exemple uni ses forces à celles de la codirectrice d'équipe, Mathilde Bonnefond, qui travaille notamment sur le lien entre les ondes alpha et l'attention, pour la codirection d'une thèse. Mission du doctorant : modéliser l'activité du cerveau de patients épileptiques adultes au cours d'une tâche attentionnelle, afin de découvrir comment les ondes alpha peuvent être impactées par les décharges interictales et quelles en sont les éventuelles conséquences sur le comportement. Elif Köksal-Ersöz et Mathilde Bonnefond s'intéressent également aux ondes gamma qui, elles, seraient liées à l'encodage de l'information. L'objectif ? Estimer, là encore, l'effet des décharges interictales sur ces ondes et donc sur l'encodage et le décodage.

Au-delà de la complexité inhérente à la création de tels modèles, ces travaux présentent deux difficultés majeures. D'une part, les décharges interictales sont aléatoires et imprévisibles, ce qui rend leur enregistrement fastidieux. D'autre part, les données disponibles proviennent de patients chez qui des électrodes intracrâniennes ont été posées en vue d'identifier l'origine des crises d'épilepsie avant une intervention chirurgicale ; elles ne couvrent donc que la partie épileptogène du cerveau, qui en plus n'est pas la même d'un patient à un autre. Le jeu de données est donc à la fois incomplet et hétérogène, ce qui le rend plus délicat à exploiter en modélisation.

Le défi de l'épilepsie chez l'enfant

Mais le potentiel clinique de ces modèles mérite de surmonter ces obstacles, souligne Elif Köksal-Ersöz : « Ces outils permettront d'identifier les types de neurones activés et leur localisation, en fonction de la morphologie des décharges - car elles peuvent être par exemple en pointe ou plutôt en vague - et donc l'impact potentiel sur le comportement du patient. Nous pourrions ainsi comprendre pourquoi telle personne épileptique a du mal à se concentrer, si le problème est lié aux crises ou aux décharges, ou encore, chez un enfant, si et comment les décharges modifient le développement des capacités cognitives. »

Etudier les effets de l'épilepsie chez les plus jeunes reste d'ailleurs un objectif pour la chercheuse. Un premier projet, mené au Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image, à Rennes en 2024, avait posé les bases de ces recherches. Elif Köksal-Ersöz espère les poursuivre et dépasser les challenges que cela représente. « Il est encore plus difficile d'obtenir des jeux de données homogènes car dans l'enfance, les formes d'épilepsie varient largement selon les patients. Comme en plus, le cerveau est en développement, il fait preuve de plasticité et cela rend la modélisation plus ardue », précise la chercheuse.

Décidée à relever le défi, elle veut mettre sur pied une étude longitudinale avec de jeunes patients afin de récolter des données d'imagerie dans la durée. En combinant celles-ci à des méthodes computationnelles, elle espère obtenir des modèles capables de prédire les effets des décharges interictales sur le développement du cerveau.

De meilleurs modèles pour une meilleure prise en charge

En attendant le lancement de ce projet, Elif Köksal-Ersöz encadre avec Vincent Magloire, chercheur au sein de l'équipe Tiger du CRNL, une autre doctorante qui travaille quant à elle sur des modèles animaux. Sa mission ? Utiliser des modèles computationnels pour prédire la façon dont le stress, et plus précisément certains neuromodulateurs qui y sont liés, influence la fréquence des crises d'épilepsie.

Dans toutes ces recherches, il existe une constante : la collaboration entre neuroscientifiques, cliniciens, mathématiciens et physiciens est indispensable pour avancer,

souligne Elif Köksal-Ersöz. Cette interdisciplinarité ne s'arrête pas à la recherche fondamentale, mais vise à dérouler les découvertes de l'équipe jusqu'en clinique.

Les chercheurs souhaitent par exemple créer des interfaces cerveau-machine (ICM) plus performantes, puisque basées sur de meilleurs modèles de fonctionnement du cerveau. Sur l'épilepsie en particulier, Elif Köksal-Ersöz, imagine qu'un jour, grâce aux modèles de Cophy, les cliniciens pourraient estimer les impacts liés aux décharges interictales pour chaque patient et faire appel à des techniques de neurostimulation pour cibler les régions qui sont à l'origine de cette activité. Avec l'espoir de diminuer les effets de celle-ci sur le fonctionnement global du cerveau et donc de réduire les déficits cognitifs des patients.

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