2019 sera l’année où nous allons stimuler le cerveau

Vous ne pouvez pas dormir ? La neurostimulation sera la réponse à vos problèmes

La dépression, l’anxiété et les troubles du sommeil peuvent tous être traités en stimulant les neurones du cerveau.

Ces dernières années, nous avons assisté au lancement de produits de sociétés telles que Thync, Foc.us et Neurovalens, qui utilisent la neurotechnologie pour soulager le stress et l’anxiété, pour aider à la perte de poids, pour améliorer le sommeil et stimuler l’apprentissage. En 2019, la neurostimulation sera généralisée.

La neurostimulation consiste à utiliser des courants faibles pour stimuler les neurones dans le cerveau, soit directement, soit via des nerfs situés à l’extérieur du cerveau. La start-up Thync de Khosla Ventures a créé un modèle portable (un petit dispositif en plastique placé près de la tempe droite) qui cible les voies neuronales spécifiques impliquées dans un certain nombre de processus pathologiques importants, y compris les maladies inflammatoires. La société a obtenu des résultats pilotes probants dans le cadre d’un essai sur le psoriasis et poursuit des études cliniques qui, si elles aboutissent, permettront de traiter des dizaines de millions de patients souffrant de troubles inflammatoires et d’affections cutanées.

DARPA veut accélérer l’acquisition de compétences au-delà des niveaux normaux

La technologie Foc.us, basée au Royaume-Uni, visait initialement à améliorer les performances des joueurs, mais a depuis lors prétendu qu’il améliorait l’apprentissage. Il utilise la stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS) pour «pousser» un courant, de haut en bas, à travers le crâne. Son approche s’appuie sur des études menées en 2010 par Darpa, l’agence de recherche de l’armée américaine, qui a testé le tDCS sur des soldats au Nouveau-Mexique.

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La recherche a consisté à appliquer des électrodes sur le cuir chevelu des volontaires, puis à les stimuler pendant qu’ils jouaient à un jeu vidéo de simulation de bataille conçu pour apprendre aux soldats à réagir correctement dans des conditions stressantes. Un groupe a été exposé à un courant de deux milliampères pendant qu’il joue, l’autre à 0,1. Les volontaires recevant la plus grande quantité ont montré une amélioration deux fois plus importante que ceux qui ne l’ont pas fait.

Neurovalens a créé Modius, un casque et une application pour la perte de poids qui stimulent le nerf vestibulaire, situé directement derrière l’oreille. L’appareil s’inspire des recherches effectuées par la Nasa dans les années 1970, mais n’a été pleinement comprise qu’en 2002, lorsque des chercheurs de l’Université de Californie UC Davis et l’Université du Missouri ont montré que la stimulation du système neurovestibulaire avait un impact définissable sur l’appétit et la régulation de la masse corporelle. Neurovalens teste cet appareil depuis l’automne 2017 et, à ce jour, 3 000 utilisateurs ont perdu en moyenne environ 4 kg sur une période d’environ deux mois.

Les premiers projets pilotes d’un certain nombre de marques ont également éliminé les problèmes de sécurité. En 2019, de plus en plus de sociétés émergentes utiliseront la technologie de neurostimulation pour s’attaquer aux problèmes auxquels l’industrie pharmaceutique a eu du mal à trouver des solutions. Ceux-ci comprennent le sommeil, l’anxiété et la dépression, qui ont tous des racines neurologiques évidentes et peuvent donc être affectés par l’utilisation de la bonne stimulation au bon moment pendant le temps voulu.

Ajoutez à cela le fait que les prix des appareils chutent rapidement, 2019 sera l’année où nous stimulerons le cerveau pour obtenir des résultats qui nous ont jusqu’ici échappés.

Stimuler la plasticité synaptique pour accélérer l’apprentissage

Un dispositif cérébral augmente la vitesse d’apprentissage de 40%

Wired

Les chercheurs restaurent la conscience chez l’homme après 15 ans dans un état végétatif

Une nouvelle étude révolutionnaire suggère qu’il est possible de restaurer la conscience de patients qui ont été dans un état végétatif prolongé. Des chercheurs de l’ISC Marc Jeannerod ont utilisé une méthode qui stimule le cerveau par le nerf vague.

Une équipe de chercheurs et de cliniciens de l’Institut des Sciences Cognitives (ISC) Marc Jeannerod à Lyon, en France, a restauré des signes de conscience chez un homme de 35 ans qui était dans un état végétatif pendant 15 ans grâce à une méthode appelée stimulation du nerf vague (SNV).

Utilisé pour prévenir les convulsions chez les personnes atteintes d’épilepsie et pour traiter la dépression, la SNV envoie des légères impulsions d’énergie électrique à intervalles réguliers vers le cerveau via le nerf vague. Parce que c’est le nerf crânien le plus long, le nerf vague relie le cerveau à diverses parties du corps – même l’intestin – et est essentiel pour maintenir certaines fonctions essentielles du corps, comme la vigilance et la marche.

Information sharing increases after vagus nerve stimulation over centroposterior regions.
(A) Sagittal (left) and coronal (right) views of weighted symbolic mutual information (wSMI) shared by all channels pre- and post-vagus nerve stimulation (VNS) (top and bottom, respectively). For visual clarity, only links with wSMI higher than 0.025 are shown. (B) Topographies of the median wSMI that each EEG channel shares with all the other channels pre- and post-VNS (top and bottom, respectively). The bar graph represents the median wSMI over right centroposterior electrodes (darker dots) which significantly increases post-VNS (permutation test over sessions: Wilcoxon test, p = 0.0266). (C) Localization of the most VNS-reactive theta source showing significant increase of information sharing post-VNS. Sources’ localization is presented over the patient’s cortical surface (probability map, sLoreta current source density: light blue scale) combined with his FDG-PET metabolism (gray scale) as measured three months post-VNS. The source was localized in the inferior parietal lobule. The bar graph represents the mean wSMI shared with all other selected sources pre- and post-VNS (dark gray and light gray, respectively) (permutation test over sessions: Wilcoxon test, p < 0.01 Bonferroni corrected). CRS-R clinical score increased as a function of information sharing over a cortical posterior theta network (Robust regression, p = 0.0015).
Credit: Corazzol et al.

Dans cette nouvelle recherche, un stimulateur du nerf vague a été implanté sur la poitrine du patient, qui était en état végétatif à cause d’un accident de voiture, une procédure menée par Jacques Luauté et son équipe de cliniciens. Les résultats, publiés dans la revue Current Biology, ont été compilés par des chercheurs dirigés par Angela Sirigu de l’ISC Marc Jeannerod.

Après un mois de SNV, le patient a présenté des capacités de réponse améliorées. Il a répondu à des commandes simples, comme suivre un objet avec ses yeux ou tourner la tête lorsqu’on lui a demandé. Le patient a également montré une capacité d’attention améliorée, en étant capable de rester éveillé en écoutant son thérapeute en lisant un livre. Dans le même temps, sa capacité à répondre aux «menaces» perçues a été restaurée – comme la façon dont ses yeux se sont ouverts plus largement, se montrant surpris quand la tête de l’examinateur s’est rapprochée de son visage.

Before and After VNS. Fluorodeoxyglucose FDG-PET images acquired during baseline (on the left, pre-VNS) and 3 months post vagus nerve stimulation (on the right, post-VNS). After vagus nerve stimulation, the metabolism increased in the right parieto-occipital cortex, thalamus and striatum.
Credit: Corazzol et al.

Divers tests du cerveau ont également révélé une amélioration de l’activité cérébrale. Dans les domaines du cerveau impliqués dans le mouvement, la sensation et la conscience, il y a eu une augmentation marquée de l’activité du signal ECG de l’onde thêta, ce qui est important pour distinguer un état végétatif et un état minimalement conscient. Pendant ce temps, une PET scan a repéré une augmentation de l’activité métabolique dans les régions corticales et sous-corticales du cerveau, ce qui se traduit par une connectivité fonctionnelle neurale améliorée.

Après 15 ans d’existence dans un état végétatif, le patient avait une conscience minimale restaurée – un exploit précédemment considéré comme impossible. Avant cette recherche, on pensait que les patients souffrant de troubles de la conscience pendant plus de 12 mois ne pouvaient plus être aidés. Cette étude montre qu’ « il est possible d’améliorer la présence d’un patient dans le monde », a déclaré Sirigu dans un communiqué de presse. « La plasticité du cerveau et la réparation du cerveau sont encore possibles même lorsque l’espoir semble avoir disparu ». L‘étude démontre également « cette capacité fascinante de notre esprit à produire une expérience consciente ». Les chercheurs ont choisi avec raison de choisir un cas difficile pour leur étude afin d’éliminer la probabilité qu’une telle amélioration soit due au hasard. Pourtant, les équipes de Sirigu et Luauté envisagent de mener une étude collaborative beaucoup plus grande pour confirmer leurs résultats.

Eurekalert, Current Biology

DARPA veut accélérer l’acquisition de compétences au-delà des niveaux normaux

En mars 2016, DARPA annonçait le programme TNT – Targeted Neuroplasticity Training (entraînement ou formation en neuroplasticité ciblée), un projet pour mobiliser le système nerveux périphérique (SNP) du corps pour réaliser quelque chose qui a longtemps été considéré comme le seul domaine du cerveau: faciliter l’apprentissage. Les travaux sur le TNT ont commencé. L’essentiel du programme est d’identifier des méthodes de neurostimulation optimales et sûres pour activer la «plasticité synaptique» – un processus naturel dans le cerveau, essentiel à l’apprentissage, qui implique le renforcement ou l’affaiblissement des jonctions entre deux neurones – puis construire ces méthodes dans des schémas de formation améliorés qui accélèrent l’acquisition de compétences cognitives.

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TNT a été inspiré par des recherches récentes montrant que la stimulation de certains nerfs périphériques peut activer les régions du cerveau impliquées dans l’apprentissage. De tels signaux peuvent potentiellement déclencher une plasticité synaptique en libérant des neurochimiques qui réorganisent les connexions neuronales en réponse à des expériences spécifiques. Les chercheurs de TNT s’efforceront d’identifier les mécanismes physiologiques qui pourraient permettre d’améliorer ce processus naturel grâce à la stimulation électrique des nerfs périphériques, ce qui rend le cerveau plus adapté pendant les points clés du processus d’apprentissage.

« DARPA s’approche de l’étude de la plasticité synaptique à partir d’angles multiples pour déterminer s’il existe des moyens sûrs et responsables d’améliorer l’apprentissage et d’accélérer la formation pour les compétences pertinentes aux missions de sécurité nationale », a déclaré Doug Weber, responsable du programme TNT.

La DARPA finance huit projets dans sept établissements dans un programme de recherche coordonné qui se concentre initialement sur la science fondamentale de la plasticité cérébrale et vise à conclure avec des essais humains sur des volontaires sains. Pour faciliter la transition vers des applications du monde réel, certaines équipes travailleront avec des analystes du renseignement et des spécialistes des langues étrangères pour comprendre comment ils s’exercent actuellement afin que la plate-forme TNT puisse être affinée autour de leurs besoins. Le programme permettra également de comparer l’efficacité de la stimulation invasive (par l’intermédiaire d’un dispositif implanté) contre la stimulation non invasive, d’étudier comment éviter les risques potentiels et les effets secondaires de la stimulation et organiser un atelier sur l’éthique de l’utilisation de la neurostimulation pour améliorer l’apprentissage.

La première moitié du programme TNT se concentre sur le déchiffrage des mécanismes neuronaux sous-jacents à l’influence de la stimulation nerveuse sur la plasticité cérébrale; découvrir des indicateurs physiologiques qui peuvent vérifier lorsque la stimulation fonctionne efficacement; identifier et atténuer tous les effets secondaires potentiels de la stimulation nerveuse. La deuxième moitié du programme se concentrera sur l’utilisation de la technologie dans une variété d’exercices de formation pour mesurer les améliorations du taux et de l’étendue de l’apprentissage.

Les institutions énumérées ci-dessous sont des équipes de premier plan qui explorent les aspects de l’utilisation de la stimulation pour activer la plasticité :

* Une équipe de l’Université de l’État de l’Arizona dirigée par le Dr Stephen Helms Tillery vise la stimulation du nerf trijumeau pour favoriser la plasticité synaptique dans les systèmes sensorimoteurs et visuels du cerveau. Grâce à des partenariats avec le Laboratoire de recherche de l’Armée de l’Air américaine (ARFL), la 711th Human Performance Wing (711 HPW) de l’US Air Force et l’Institut de recherche de l’armée américaine de médecine environnementale (USARIEM), l’équipe évaluera les protocoles de stimulation TNT avec deux groupes de bénévoles : l’étude de l’intelligence, de la surveillance et de la reconnaissance, et un autre pratiquant le tir de précision et de prise de décision.

* Une équipe de l’Université Johns Hopkins dirigée par le Dr Xiaoqin Wang se concentre sur les régions du cerveau impliquées dans la parole et l’ouïe pour comprendre les effets de la plasticité sur l’apprentissage des langues. L’équipe va comparer l’efficacité de la stimulation des nerfs vagaux invasifs et non invasifs (VNS – stimulation neuro-vagale), tester la capacité des volontaires à faire une distinction des phonèmes, apprendre les mots et la grammaire et produire les sons uniques demandés par certaines langues étrangères.

* Dans l’un des deux projets, la DARPA finance à l’Université de Floride, une équipe dirigée par le Dr Kevin Otto qui identifie les voies neuronales par la VNS (stimulation du nerf vague) du cerveau. L’équipe mènera également des études comportementales chez les rongeurs afin de déterminer l’impact de la VNS sur la perception, la fonction exécutive, la prise de décision et la navigation spatiale.

* Dans le deuxième projet de l’Université de Floride, une équipe dirigée par le Dr Karim Oweiss utilisera une approche tout-optique combinant l’imagerie fluorescente et l’optogénétique pour interroger la circulation neuronale qui relie les centres neuromodulateurs dans le cerveau profond aux régions décisionnelles du cortex préfrontal, et optimiser les paramètres de VNS autour de ce circuit pour accélérer l’apprentissage des tâches de distinction auditive par les rongeurs.

* Un projet de l’Université du Maryland mené par le Dr Henk Haarmann étudie l’impact de la VNS sur l’apprentissage des langues étrangères. Son équipe utilisera l’électroencéphalographie (EEG) pour examiner les effets de la VNS sur la fonction neurale lors de la perception de la parole, du vocabulaire et de la formation grammaticale.

* Une équipe de l’Université de Texas à Dallas, dirigée par le Dr Mike Kilgard, identifie les paramètres de stimulation optimale pour maximiser la plasticité et compare les effets de la stimulation invasive contre la non invasive chez les individus atteints d’acouphènes car ils accomplissent des tâches d’apprentissage complexes telles que l’acquisition d’une langue étrangère. L’équipe étudiera également la longévité des effets de stimulation pour déterminer si une formation de suivi est nécessaire pour la rétention à long terme des compétences acquises.

* Une équipe de l’Université du Wisconsin dirigée par le Dr Justin Williams utilise des techniques d’imagerie optique, d’électrophysiologie et de détection neurochimique de pointe chez les modèles animaux pour mesurer l’influence de la stimulation du nerf vagal et trijumeau sur l’activité stimulante des neurones neuromodulateurs dans le cerveau.

* Une équipe de l’Université Wright State dirigée par le Dr Timothy Broderick se concentre sur l’identification des marqueurs épigénétiques de la neuroplastique et des indicateurs de la réponse d’un individu à la VNS. Grâce à un partenariat avec le Laboratoire de recherche de l’Armée de l’Air américaine et la 711th Human Performance Wing de l’US Air Force, l’équipe travaillera également avec les stagiaires volontaires en analyse du renseignement qui étudient la reconnaissance des objets et des menaces pour déterminer l’impact des VNS non invasifs sur cette formation.

DARPA soutiendra un futur projet de science réglementaire au sein de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis, qui a approuvé la VNS pour le traitement de l’épilepsie et de la dépression. Les scientifiques de la FDA, dirigés par le Dr Srikanth Vasudevan, exploreront davantage l’innocuité et l’efficacité de la VNS chez un modèle animal, y compris un examen du rôle du sexe de l’animal sur les effets potentiels de l’utilisation chronique de la stimulation du nerf vague.

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Les projets TNT de la DARPA diffèrent des tentatives antérieures de neuroscience et de neurotechnologie en cherchant à ne pas restaurer la perte de fonction mais à favoriser les capacités chez des individus en bonne santé. À la fin du programme planifié de quatre ans, DARPA vise à démontrer que les méthodes et les technologies TNT peuvent au moins produire une amélioration de 30% du taux d’apprentissage et / ou du rendement des compétences par rapport aux schémas de formation traditionnels, avec des effets secondaires négatifs minimes.

“Le Département de la Défense opère dans un monde complexe et interconnecté dans lequel les compétences humaines telles que la communication et l’analyse sont vitales, et le Département a longtemps poussé les frontières de la formation pour maximiser ces compétences”, a déclaré Weber. “L’objectif de DARPA avec le TNT est de renforcer les méthodes de formation existantes les plus efficaces afin que les hommes et les femmes de nos forces armées puissent opérer à leur plein potentiel”.

Reconnaissant que ces nouvelles technologies pour l’apprentissage et la formation pourraient susciter des problèmes sociaux et éthiques, le programme TNT finance l’Arizona State University pour organiser un atelier d’éthique national au cours de la première année du programme. L’atelier engagera des scientifiques, des bioéthiciens, des régulateurs, des spécialistes militaires et d’autres personnes en discussion sur ces questions et produira pour un examen plus large un rapport sur les problèmes éthiques potentiels liés à l’amélioration cognitive pour les combattants.

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Le TNT est un effort de recherche fondamental. Les équipes qui effectuent la recherche sont encouragées à publier leurs résultats dans des revues évaluées par les pairs.

DARPA News

Stimuler la plasticité synaptique pour accélérer l’apprentissage

DARPA

Un nouveau programme DARPA explorera l’utilisation de la stimulation nerveuse périphérique pour améliorer les processus d’apprentissage dans le cerveau.

Le réseau de ramifications du corps des nerfs périphériques relie les neurones dans le cerveau et la moelle épinière pour les organes, la peau et les muscles, la régulation d’un grand nombre de fonctions biologiques de la digestion à la sensation de locomotion. Mais le système nerveux périphérique peut faire encore plus que cela, c’est pourquoi DARPA a déjà des programmes de recherche en cours pour exploiter un certain nombre de fonctions — comme un substitut pour les médicaments pour traiter les maladies et accélérer la guérison, par exemple, ainsi que pour le contrôle avancé des prothèses et de restaurer la sensation tactile à leurs utilisateurs.

Maintenant, en poussant ces limites plus loin, DARPA vise à mobiliser les nerfs périphériques de l’organisme pour réaliser quelque chose qui a longtemps été considéré comme le seul domaine du cerveau : faciliter l’apprentissage.


Des scientifiques découvrent comment télécharger des connaissances à votre cerveau


Le nouveau programme de formation de neuroplasticité ciblée (TNT-Targeted Neuroplasticity Training), cherche à faire avancer le rythme et l’efficacité d’un type spécifique d’apprentissage — compétences cognitives — par l’intermédiaire de l’activation précise des nerfs périphériques qui peuvent à leur tour promouvoir et renforcer les connexions neuronales dans le cerveau. TNT poursuivra le développement d’une plateforme technologique pour améliorer l’apprentissage d’un large éventail de compétences cognitives, dans le but de réduire le coût et la durée du vaste programme d’entraînement approfondie du Département de la Défense, tout en améliorant les résultats. En cas de succès, TNT pourrait accélérer l’apprentissage et réduire le temps nécessaire pour former des spécialistes en langue étrangère, des analystes du renseignement, cryptographes et d’autres.

Le programme est également remarquable parce que, contrairement aux projets précédents de DARPA en neuroscience et neurotechnologie, il aura pour but non seulement de rétablir (de restaurer) la fonction perdue, mais de faire progresser les capacités au-delà des niveaux normaux.

« Les recherches récentes ont démontré que la stimulation de certains nerfs périphériques, facilement et sans douleur atteint à travers la peau, peut activer les régions du cerveau impliquées dans l’apprentissage, » a déclaré TNT Program Manager Doug Weber, ajoutant que les signaux peuvent potentiellement déclencher la libération de neurotransmetteurs (substances neurochimiques) dans le cerveau qui réorganisent les connexions neuronales en réponse à des expériences spécifiques. « Ce processus naturel de la plasticité synaptique est essentiel pour l’apprentissage, mais une grande partie est inconnue sur les mécanismes physiologiques qui relient la stimulation des nerfs périphériques pour améliorer la plasticité et l’apprentissage », a déclaré Weber. “Vous pouvez penser à la stimulation des nerfs périphériques comme un moyen de rouvrir la période dite « critique » lorsque le cerveau est plus facile et adaptatif. La technologie TNT sera conçue pour moduler en toute sécurité et avec précision les nerfs périphériques pour contrôler la plasticité aux points optimaux dans le processus d’apprentissage. »

DARPA a l’intention d’adopter une approche en couches à l’exploration de ce nouveau terrain. La recherche fondamentale portera sur l’acquisition d’une compréhension plus claire et plus complète de la façon dont la stimulation nerveuse influe sur la plasticité synaptique, comment les processus d’apprentissage des habilités (des compétences) cognitives sont réglementés dans le cerveau et les façons d’améliorer ces processus pour accélérer en toute sécurité l’acquisition de compétences tout en évitant les effets secondaires potentiels.

Le côté technique du programme ciblera le développement d’un dispositif non-invasif qui produit la stimulation des nerfs périphériques pour améliorer la plasticité dans les régions du cerveau responsables des fonctions cognitives. L’objectif est d’optimiser les protocoles de formation qui accélèrent le rythme d’apprentissage et de maximiser la rétention à long terme de même les compétences cognitives plus complexes. Pour atteindre ces objectifs divers, TNT espère attirer des équipes pluridisciplinaires couvrant les milieux tels que les neurosciences cognitives, la plasticité neuronale, électrophysiologie, neurophysiologie des systèmes, génie biomédical, la performance humaine et la modélisation informatique.

Afin de familiariser les participants potentiels avec les objectifs techniques du TNT, DARPA organisera une journée le vendredi 8 avril 2016, au Westin Arlington Gateway à Arlington, en Virginie. L’avis spécial de DARPA annonçant la journée et décrivant les fonctionnalités spécifiques recherchés est disponible à https://www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-SN-16-20/listing.html.

Une annonce avec des informations techniques complètes sur la TNT est imminente. Pour plus d’informations, veuillez envoyer un email DARPA-SN-16-20@darpa.mil.

Source : DARPA News