Onde gamma

Une onde gamma ou un rythme gamma est un modèle d' oscillation neuronale chez l'homme avec une fréquence comprise entre 30 et 100 Hz , le point de 40 Hz étant particulièrement intéressant. Les rythmes gamma sont corrélés à l'activité du réseau cérébral à grande échelle et aux phénomènes cognitifs tels que la mémoire de travail , l'attention et le groupement perceptif , et peuvent être augmentés en amplitude via la méditation ou la neurostimulation . Une activité gamma altérée a été observée dans de nombreux troubles de l'humeur et cognitifs tels que la maladie d'Alzheimer , l'épilepsie , et la schizophrénie .

Les ondes gamma peuvent être détectées par électroencéphalographie ou magnétoencéphalographie . L'un des premiers rapports sur l'activité des ondes gamma a été enregistré dans le cortex visuel de singes éveillés. Par la suite, d'importantes activités de recherche se sont concentrées sur l'activité gamma dans le cortex visuel.

L'activité gamma a également été détectée et étudiée dans les régions corticales prémotrices , pariétales , temporales et frontales . Les ondes gamma constituent une classe courante d'activité oscillatoire dans les neurones appartenant à la boucle cortico-ganglions de la base-thalamo-corticale . En général, cette activité est censée refléter les connexions de rétroaction entre différentes régions cérébrales, contrairement à la rétroaction des ondes alpha dans les mêmes régions. Il a également été démontré que les oscillations gamma sont corrélées avec le déclenchement de neurones individuels, principalement des neurones inhibiteurs, pendant tous les états du cycle veille-sommeil. L'activité des ondes gamma est plus importante pendant l'état de veille alerte et attentif. Cependant, les mécanismes et les substrats par lesquels l'activité gamma peut aider à générer différents états de conscience restent inconnus.

Certains chercheurs contestent la validité ou la pertinence de l'activité des ondes gamma détectée par l'EEG du cuir chevelu , car la bande de fréquence des ondes gamma chevauche la bande de fréquence électromyographique (EMG). Ainsi, les enregistrements de signaux gamma pourraient être contaminés par l'activité musculaire. Des études utilisant des techniques de paralysie musculaire locale ont confirmé que les enregistrements EEG contiennent des signaux EMG, et que ces signaux peuvent être attribués à la dynamique motrice locale telle que la fréquence des saccades ou à d'autres actions motrices impliquant la tête. Des avancées dans le traitement et la séparation des signaux, telles que l'application de l'analyse des composants indépendants ou d'autres techniques basées sur le filtrage spatial , ont été proposées pour réduire la présence d'artefacts EMG.

Dans certains manuels d'EEG, il est demandé aux utilisateurs de placer une électrode sur une paupière pour capter ces signaux, ainsi qu'une sur le cœur et une paire sur les côtés du cou, pour capter les signaux musculaires du corps sous le cou. L'EEG clinique peut ne pas faire ces choses.

Les ondes gamma peuvent participer à la formation d'une perception cohérente et unifiée , également connue sous le nom de problème de combinaison dans le problème de liaison , en raison de leur synchronisation apparente des taux de déclenchement neuronal dans différentes régions du cerveau. Les ondes gamma de 40 Hz ont été suggérées pour la première fois en 1988 , par exemple deux neurones oscillent de manière synchrone (bien qu'ils ne soient pas directement connectés) lorsqu'un seul objet externe stimule leurs champs récepteurs respectifs. Des expériences ultérieures menées par de nombreux autres ont démontré ce phénomène dans un large éventail de cognitions visuelles. En particulier, Francis Crick et Christof Koch en 1990 ont soutenu qu'il existe une relation significative entre le problème de liaison et le problème de la conscience visuelle et, par conséquent, que les oscillations synchrones de 40 Hz peuvent être impliquées de manière causale dans la conscience visuelle ainsi que dans la liaison visuelle. Plus tard, les mêmes auteurs ont exprimé leur scepticisme quant à l'idée selon laquelleLes oscillations de 40 Hz sont une condition suffisante pour la perception visuelle.

Un certain nombre d'expériences menées par Rodolfo Llinás soutiennent l'hypothèse selon laquelle la base de la conscience dans les états d'éveil et de rêve estOscillations de 40 Hz dans tout le manteau cortical sous forme d'activité récurrente itérative thalamocorticale. Dans deux articles intitulés « Une oscillation cohérente de 40 Hz caractérise l'état de rêve chez l'homme » (Rodolfo Llinás et Urs Ribary, Proc Natl Acad Sci USA 90 : 2078-2081, 1993) et « Du rêve et de l'éveil » (Llinas et Pare, 1991), Llinás propose que la conjonction en un seul événement cognitif puisse se produire par la sommation simultanée de phénomènes spécifiques et non spécifiquesL'activité de 40 Hz le long de l'axe dendritique radial d'éléments corticaux donnés, et que la résonance est modulée par le tronc cérébral et reçoit un contenu par des entrées sensorielles à l'état de veille et une activité intrinsèque pendant le rêve. Selon l'hypothèse de Llinás, connue sous le nom d'hypothèse du dialogue thalamocortical pour la conscience, laL'oscillation de 40 Hz observée à l'état de veille et dans les rêves est proposée comme étant un corrélat de la cognition, résultant d'une perception cohérente.Résonance à 40 Hz entre les boucles thalamocorticales spécifiques et non spécifiques. Dans Llinás & Ribary (1993), les auteurs proposent que les boucles spécifiques donnent le contenu de la cognition, et qu'une boucle non spécifique donne la liaison temporelle nécessaire à l'unité de l'expérience cognitive.

Un article principal d' Andreas K. Engel et al . dans la revue Consciousness and Cognition (1999) qui défend la synchronie temporelle comme base de la conscience, définit ainsi l'hypothèse des ondes gamma :

L'hypothèse est que la synchronisation des décharges neuronales peut servir à l'intégration de neurones distribués dans des assemblages cellulaires et que ce processus peut sous-tendre la sélection d'informations pertinentes sur le plan perceptif et comportemental.

Le mécanisme suggéré est que les ondes gamma sont liées à la conscience neuronale via le mécanisme de l'attention consciente :

La réponse proposée réside dans une onde qui, provenant du thalamus, balaie le cerveau d'avant en arrière, 40 fois par seconde, synchronisant différents circuits neuronaux avec le précepte , et mettant ainsi le précepte au premier plan de l'attention. Si le thalamus est endommagé même un peu, cette onde s'arrête, les prises de conscience ne se forment pas et le patient tombe dans un coma profond.

Ainsi, l'hypothèse est que lorsque tous ces groupes neuronaux oscillent ensemble pendant ces périodes transitoires de déclenchement synchronisé, ils contribuent à faire remonter des souvenirs et des associations de la perception visuelle à d'autres notions. Cela rassemble une matrice distribuée de processus cognitifs pour générer un acte cognitif cohérent et concerté, tel que la perception. Cela a conduit à des théories selon lesquelles les ondes gamma sont associées à la résolution du problème de liaison .

Les ondes gamma sont observées comme une synchronisation neuronale à partir de signaux visuels dans des stimuli conscients et subliminaux . Cette recherche met également en lumière la manière dont la synchronisation neuronale peut expliquer la résonance stochastique dans le système nerveux.

L'altération de l'activité des ondes gamma est associée à des troubles de l'humeur tels que la dépression majeure ou le trouble bipolaire et peut être un biomarqueur potentiel pour différencier les troubles unipolaires et bipolaires. Par exemple, les sujets humains présentant des scores de dépression élevés présentent une signalisation gamma différentielle lors de l'exécution de tâches émotionnelles, spatiales ou arithmétiques. Une augmentation de la signalisation gamma est également observée dans les régions cérébrales qui participent au réseau du mode par défaut , qui est normalement supprimé lors de tâches nécessitant une attention importante. Les modèles de rongeurs présentant des comportements de type dépression présentent également des rythmes gamma déficients.

Une diminution de l'activité des ondes gamma est observée dans la schizophrénie . Plus précisément, l'amplitude des oscillations gamma est réduite, tout comme la synchronie des différentes régions cérébrales impliquées dans des tâches telles que la perception visuelle et la perception de la Gestalt . Les personnes atteintes de schizophrénie ont de moins bons résultats dans ces tâches comportementales, qui sont liées à la perception et à la mémoire de reconnaissance continue. La base neurobiologique du dysfonctionnement gamma dans la schizophrénie est censée reposer sur les interneurones GABAergiques impliqués dans les réseaux connus de génération de rythme des ondes cérébrales. antipsychotique , qui diminue certains symptômes comportementaux de la schizophrénie, ne rétablit pas la synchronie gamma à des niveaux normaux.

Les oscillations gamma sont observées dans la majorité des crises et peuvent contribuer à leur apparition dans l'épilepsie . Les stimuli visuels tels que les grands réseaux à contraste élevé, connus pour déclencher des crises dans l'épilepsie photosensible , provoquent également des oscillations gamma dans le cortex visuel. Lors d'une crise focale, la synchronisation maximale du rythme gamma des interneurones est toujours observée dans la zone de début de la crise, et la synchronisation se propage à partir de la zone de début sur toute la zone épileptogène.

Une puissance de bande gamma accrue et des réponses gamma retardées ont été observées chez des patients atteints de la maladie d'Alzheimer (MA). Il est intéressant de noter que le modèle murin tg APP-PS1 de la MA présente une puissance d'oscillation gamma diminuée dans le cortex entorhinal latéral , qui transmet diverses entrées sensorielles à l' hippocampe et participe ainsi à des processus de mémoire analogues à ceux affectés par la MA humaine. Une puissance gamma lente hippocampique diminuée a également été observée dans le modèle murin 3xTg de la MA.

Français La stimulation gamma pourrait avoir un potentiel thérapeutique pour la MA et d'autres maladies neurodégénératives . La stimulation optogénétique des interneurones à pics rapides dans la gamme de fréquences des ondes gamma a été démontrée pour la première fois chez la souris en 2009. L'entraînement ou la synchronisation des oscillations gamma hippocampiques et des pics à 40 Hz via des stimuli non invasifs dans la bande de fréquence gamma, tels que des lumières clignotantes ou des impulsions sonores, réduit la charge bêta-amyloïde et active la microglie dans le modèle murin 5XFAD bien établi de la MA. Des essais cliniques humains ultérieurs de stimulation de la bande gamma ont montré de légères améliorations cognitives chez les patients atteints de MA qui ont été exposés à des stimuli lumineux, sonores ou tactiles dans la gamme de 40 Hz. Cependant, les mécanismes moléculaires et cellulaires précis par lesquels la stimulation de la bande gamma améliore la pathologie de la MA sont inconnus.

L'hypersensibilité et les déficits de mémoire dus au syndrome de l'X fragile peuvent être liés à des anomalies du rythme gamma dans le cortex sensoriel et l'hippocampe . Par exemple, une diminution de la synchronisation des oscillations gamma a été observée dans le cortex auditif des patients atteints du syndrome de l'X fragile. Le modèle de rat FMR1 knockout du syndrome de l'X fragile présente un rapport accru d'ondes gamma lentes (~25–50 Hz) à rapides (~55–100 Hz).

La synchronisation des ondes gamma de haute amplitude peut être auto-induite par la méditation . Les pratiquants de longue date de la méditation, tels que les moines bouddhistes tibétains, présentent à la fois une activité accrue de la bande gamma au début de la méditation ainsi qu'une augmentation significative de la synchronisation gamma pendant la méditation, comme le montre l'EEG du cuir chevelu. L'IRMf sur les mêmes moines a révélé une plus grande activation du cortex insulaire droit et du noyau caudé pendant la méditation. Les mécanismes neurobiologiques de l'induction de la synchronisation gamma sont donc très malléables . Ces preuves peuvent étayer l'hypothèse selon laquelle le sens de la conscience, la capacité de gestion du stress et la concentration, souvent considérés comme améliorés après la méditation, sont tous soutenus par l'activité gamma. Lors de la réunion annuelle de 2005 de la Society for Neuroscience , le Dalaï Lama actuel a déclaré que si les neurosciences pouvaient proposer un moyen d'induire les bienfaits psychologiques et biologiques de la méditation sans pratique intensive, il « serait un volontaire enthousiaste ».

Une activité gamma élevée a également été observée quelques instants avant la mort .