Que cache l’architecture de nos réseaux cérébraux ?

Pourquoi certaines régions du cerveau fonctionnent elles ensemble ? Une étude récente apporte un nouvel éclairage en reliant l’organisation des réseaux cérébraux à leur architecture cellulaire et moléculaire.

Lorsqu’on regarde une image d’IRM fonctionnelle, le cerveau apparaît comme une carte de réseaux : certaines régions présentent des variations d’activité coordonnées et forment ainsi des ensembles fonctionnels. Réseau du mode par défaut, réseaux sensorimoteurs, visuels ou impliqués dans le contrôle cognitif : chacun correspond à une organisation particulière de l’activité cérébrale. Mais une question demeure : qu’est-ce qui donne à ces réseaux leur organisation ? Pourquoi certaines régions ont-elles tendance à fonctionner ensemble ?

C’est ce que des chercheurs ont cherché à explorer dans une étude publiée en 2025 dans Nature Communications. En confrontant l’organisation des réseaux cérébraux à différentes caractéristiques biologiques du cerveau, ils ont cherché à comprendre ce qui se trouve derrière l’activité observée à l’IRM.

Des réseaux, mais pas seulement

Les chercheurs ont étudié 53 réseaux cérébraux identifiés à partir de données d’IRM fonctionnelle, couvrant notamment les systèmes sensorimoteur, visuel, auditif, cognitif, le réseau du mode par défaut, ainsi que des réseaux sous-corticaux et cérébelleux.

Ils ont ensuite comparé cette organisation à la répartition de différents types cellulaires dans le cerveau. Certaines populations de neurones présentent ainsi des correspondances particulières avec certains réseaux fonctionnels. Mais il faut être précis sur ce que signifie ici une « association ». Les chercheurs ne montrent pas qu’un type de cellule détermine à lui seul le fonctionnement d’un réseau. Ils constatent plutôt que la répartition de certaines populations cellulaires correspond, en partie, à celle de certains réseaux fonctionnels.

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Les chercheurs sont également descendus à une échelle plus fine : celle des gènes. À partir notamment de l’Allen Human Brain Atlas, ils ont examiné l’expression de milliers de gènes dans différentes régions du cerveau et l’ont mise en regard de données permettant de caractériser les types cellulaires. Cette approche, connue sous le nom d’imaging transcriptomics, cherche à rapprocher les cartes d’expression génétique de celles obtenues par neuroimagerie.

Les résultats montrent que les réseaux fonctionnels présentent des profils d’expression génétique qui ne sont pas distribués au hasard. Certaines familles de gènes, notamment celles impliquées dans les fonctions neuronales et synaptiques, contribuent davantage aux différences observées entre les réseaux. Les chercheurs identifient ainsi des signatures moléculaires qui varient selon les grandes organisations fonctionnelles du cerveau.

Il ne faut toutefois pas traduire ces résultats par l’idée qu’un gène « commande » un réseau cérébral. Une expression plus importante de certains gènes dans une région ne signifie pas qu’elle crée directement le réseau observé à l’IRM. Il s’agit de correspondances statistiques entre deux cartes du cerveau, obtenues avec des méthodes différentes. L’intérêt de ces résultats est plutôt de montrer que les différences fonctionnelles entre les réseaux s’accompagnent aussi de différences dans leur environnement moléculaire. Les gènes constituent ainsi un niveau supplémentaire pour comprendre pourquoi certaines régions présentent des propriétés biologiques et fonctionnelles différentes.

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La signature chimique

Après les cellules et les gènes, les chercheurs se sont intéressés à la manière dont les neurones communiquent. Cette communication repose notamment sur les neurotransmetteurs, mais aussi sur les récepteurs qui permettent aux cellules de répondre à ces messagers chimiques.

Pour explorer cette dimension, les chercheurs ont utilisé 19 cartes représentant différents récepteurs et transporteurs de neuf systèmes de neurotransmission, établies à partir de données de TEP recueillies chez plus de 1 200 personnes en bonne santé. Ils ont ainsi pu comparer la distribution de ces systèmes à celle des différents réseaux cérébraux. Les résultats montrent que certains réseaux présentent des profils neurochimiques qui leur sont davantage associés que d’autres. Parmi les 53 réseaux étudiés, 16 présentaient une organisation significativement liée aux cartes de récepteurs et de transporteurs analysées. La contribution des différents systèmes de neurotransmission varie donc selon les réseaux. Ces résultats rappellent aussi pourquoi il est réducteur de parler simplement de « l’effet » d’un neurotransmetteur. La dopamine, la sérotonine, le glutamate ou le GABA n’agissent pas comme de simples interrupteurs : leur effet dépend notamment du récepteur auquel ils se lient, des cellules qui l’expriment et du circuit dans lequel ils interviennent.

Les chercheurs ont également examiné une autre dimension essentielle au fonctionnement du cerveau : l’énergie. Les neurones ont en permanence besoin d’énergie pour maintenir leur activité et assurer la communication entre les cellules. Les mitochondries, qui jouent un rôle majeur dans cette production énergétique, ont donc elles aussi été prises en compte dans l’analyse. Certaines caractéristiques mitochondriales présentent des associations avec des réseaux fonctionnels, notamment dans plusieurs régions sous-corticales. Ces résultats sont toutefois plus limités que ceux observés pour les caractéristiques cellulaires et les systèmes de neurotransmission.

Cellules, gènes, chimie et énergie commencent ainsi à dessiner une même idée : les réseaux observés à l’IRM s’inscrivent dans un tissu biologique beaucoup plus complexe que ne le laisse voir une simple carte de connexions.

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Quand la biologie rejoint les réseaux

Restait alors une question centrale : les différences biologiques observées sont-elles liées à la manière dont les réseaux communiquent entre eux ?

Les chercheurs ont comparé les profils biologiques des réseaux à leur connectivité fonctionnelle. Ils ont constaté que les réseaux présentant des caractéristiques biologiques plus similaires avaient également tendance à présenter des relations fonctionnelles plus fortes. Cette correspondance était particulièrement nette lorsque plusieurs dimensions biologiques étaient considérées ensemble.

Elle était également retrouvée lorsque les chercheurs s’intéressaient à la connectivité fonctionnelle dynamique, c’est-à-dire aux configurations de communication qui peuvent évoluer au cours du temps.

Ces résultats donnent une autre profondeur à la notion de réseau cérébral. Les réseaux ne se distinguent pas uniquement par leur activité ou par les régions qui les composent : ils présentent aussi des caractéristiques biologiques qui leur sont associées. Cela ne signifie pas que ces caractéristiques déterminent mécaniquement la connectivité. L’étude montre des correspondances, pas une chaîne causale simple. La biologie pourrait contribuer à définir les conditions dans lesquelles certaines organisations fonctionnelles sont plus probables, sans les déterminer à elle seule.

Les chercheurs ont ensuite tenté de relier ces différents niveaux aux fonctions cognitives. Pour cela, ils ont utilisé 123 cartes issues de méta-analyses de données de neuroimagerie disponibles dans Neurosynth. Certaines analyses suggèrent que la connectivité fonctionnelle pourrait constituer un intermédiaire entre les caractéristiques biologiques des régions cérébrales et leur organisation cognitive.

Ainsi, les différentes échelles du cerveau ne semblent pas fonctionner indépendamment les unes des autres. Les caractéristiques cellulaires et moléculaires, l’organisation des réseaux et les fonctions cognitives présentent des correspondances qui peuvent être étudiées dans un même cadre. C’est l’un des intérêts majeurs de cette approche. Plutôt que d’étudier séparément les gènes, les cellules, les circuits, les réseaux ou la cognition, elle cherche à comprendre comment ces différents niveaux s’articulent au sein d’un même système.

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Au-delà des connexions

L’apport de cette étude est donc avant tout conceptuel. Elle invite à dépasser une représentation du cerveau comme une simple carte de connexions. Derrière les réseaux observés à l’IRM se trouvent des neurones, des synapses, des récepteurs, des cellules gliales, des systèmes énergétiques et une organisation moléculaire complexe.

Pour comprendre un réseau cérébral, il ne suffit donc pas de demander quelles régions communiquent entre elles. Il faut aussi comprendre les propriétés biologiques qui rendent cette communication possible.

Cela ne signifie pas que les gènes déterminent directement nos pensées, ni qu’un neurotransmetteur correspond à une fonction mentale précise. Le cerveau ne fonctionne pas selon une chaîne aussi linéaire. Il faut plutôt le penser comme un système organisé à plusieurs niveaux : du gène à la cellule, de la cellule au circuit, du circuit au réseau, puis du réseau aux fonctions cognitives et au comportement.

L’étude de Feng et ses collègues ne fournit pas une explication définitive de cette organisation. Elle apporte plutôt une pièce supplémentaire à une question centrale des neurosciences :comment relier ce qui se passe à l’échelle microscopique à ce que nous observons à l’échelle du cerveau entier ?

Les cartes de l’IRM nous montrent l’activité du cerveau, mais elles n’en révèlent qu’une partie. Derrière chaque réseau se trouve un tissu vivant, avec ses cellules, sa chimie, ses besoins énergétiques et toute la complexité biologique qui rend son fonctionnement possible.