L’étude aborde la question complexe des mécanismes neuronaux de la conscience. Un débat central dans ce domaine oppose les théories suggérant que la conscience émerge d’interactions globales impliquant de multiples régions cérébrales à celles postulant qu’elle découle d’une activité neuronale focale. Les théories globales elles-mêmes divergent, notamment l’hypothèse de l’Espace de Travail Neuronal Global (GNW), qui met l’accent sur les zones frontales et pariétales, et la Théorie de l’Information Intégrée (IIT), qui se concentre sur l’intégration de l’information dans les régions corticales postérieures.
Pour clarifier ces questions, l’étude mesure la connectivité fonctionnelle globale et la synchronicité neuronale locale à l’aide de données d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) sur un large éventail d’états de conscience induits chez l’humain par des substances psychédéliques, le sommeil et une sédation profonde. Les résultats montrent que les états psychédéliques sont associés à une augmentation de la connectivité fonctionnelle globale et à une diminution de la synchronicité neuronale locale. À l’inverse, le sommeil sans mouvements oculaires rapides (NREM) et la sédation profonde présentent un schéma opposé. Cette observation en miroir suggère que la conscience découle des interactions du réseau cérébral global plutôt que d’une activité localisée.
Ce schéma a été observé dans les régions cérébrales antéro-postérieures (A-P) et postéro-postérieures (P-P), mais pas au sein de la partie antérieure du cerveau seule. De plus, les régions transmodales antérieures jouent un rôle clé dans la connectivité A-P, tandis que les régions transmodales et unimodales postérieures sont essentielles pour la connectivité P-P. Ces découvertes fournissent des preuves empiriques en faveur des théories globales de la conscience et contribuent à réconcilier les théories GNW et IIT en montrant comment elles peuvent converger vers des mécanismes neuronaux partagés.
L’objectif principal de cette étude est de tester empiriquement des théories concurrentes de la conscience. Elle cherche à déterminer si un cadre global ou local explique mieux les variations des corrélats neuronaux observés dans différents états de conscience.
Plus spécifiquement, l’étude vise à répondre à deux questions fondamentales : 1) Les variations des états de conscience sont-elles mieux expliquées par des changements dans la connectivité cérébrale globale ou dans la synchronisation neuronale locale ? 2) Si les théories globales sont soutenues, laquelle, de l’hypothèse de l’Espace de Travail Neuronal Global (GNW) ou de la Théorie de l’Information Intégrée (IIT), offre une représentation plus précise des mécanismes sous-jacents ? Pour ce faire, les auteurs comparent les états de conscience augmentés (induits par les psychédéliques) aux états de conscience diminués (sommeil et sédation).
- Participants et conditions : L’étude analyse plusieurs ensembles de données IRMf pour couvrir un large spectre d’états de conscience. Cela inclut des états psychédéliques induits par le LSD (n=15), la kétamine sub-anesthésique (n=12) et le protoxyde d’azote (n=15), ainsi que des états de conscience diminuée comme le sommeil non-REM (stades N1 et N2) et la sédation à différentes concentrations de propofol.
- Mesures de connectivité : Les chercheurs emploient deux mesures principales pour évaluer l’activité cérébrale.
- Connectivité globale : La connectivité fonctionnelle entre les réseaux (inter-réseaux) est utilisée comme métrique globale pour évaluer l’intégration à grande échelle.
- Connectivité locale : L’homogénéité régionale (ReHo) est calculée pour quantifier la synchronisation de l’activité neuronale au sein de régions cérébrales localisées.
- Analyse comparative des théories : Pour comparer les théories GNW et IIT, le cerveau est divisé anatomiquement en régions antérieures (A) et postérieures (P). La connectivité fonctionnelle est ensuite analysée au sein de chaque région (A-A, P-P) et entre elles (A-P).
- Analyse selon l’axe fonctionnel : Une analyse plus fine est réalisée en subdivisant les régions cérébrales non seulement anatomiquement mais aussi fonctionnellement, en distinguant les aires unimodales (sensori-motrices) des aires transmodales (cognitives d’ordre supérieur). Cela permet d’étudier la connectivité entre quatre types de régions : transmodale antérieure (AT), unimodale antérieure (AU), transmodale postérieure (PT) et unimodale postérieure (PU).
- Analyses statistiques et de modélisation : Des analyses de la théorie des graphes, comme l’efficacité globale, sont utilisées pour évaluer l’intégration topologique. Des méthodes d’apprentissage automatique (machine learning) sont également employées pour identifier les caractéristiques de connectivité les plus importantes permettant de différencier les états de conscience augmentés et diminués.
- Validation des théories globales : L’étude révèle un schéma en miroir clair entre les états de conscience augmentés et diminués. Les états psychédéliques sont caractérisés par une augmentation de la connectivité fonctionnelle globale et une diminution de la synchronie locale (ReHo). Inversement, le sommeil et la sédation profonde montrent une diminution de la connectivité globale et une augmentation de la synchronie locale. Ces résultats soutiennent fortement les théories selon lesquelles la conscience est un phénomène global.
- Rôle des axes cérébraux : Aucune modification significative de la connectivité n’est observée uniquement au sein des régions antérieures (A-A). Cependant, des changements marqués sont constatés pour la connectivité antéro-postérieure (A-P) et postéro-postérieure (P-P). Les états psychédéliques augmentent la connectivité A-P et P-P, tandis que le sommeil et la sédation la diminuent. Cela indique que les interactions frontales seules sont insuffisantes et que l’intégration entre les parties avant et arrière du cerveau, ainsi qu’au sein de la partie arrière, est cruciale.
- Importance de l’axe unimodal-transmodal : L’analyse fonctionnelle montre que les connexions impliquant les régions unimodales postérieures (aires sensorielles de bas niveau) sont particulièrement affectées. Les paires de régions transmodale antérieure-unimodale postérieure (AT-PU) et transmodale postérieure-unimodale postérieure (PT-PU) montrent les changements les plus robustes et les plus cohérents, avec une connectivité accrue sous psychédéliques et diminuée pendant la sédation.
- Caractéristiques distinctives : Les analyses de corrélation et d’apprentissage automatique confirment que les connexions AT-PU et PT-PU sont les plus prédictives pour différencier les niveaux de conscience, soulignant le rôle critique de l’intégration entre les aires cognitives d’ordre supérieur et les aires sensorielles primaires.
Cette étude apporte un soutien empirique solide aux théories globales de la conscience, en montrant que les niveaux de conscience sont corrélés à l’intégration des réseaux cérébraux à grande échelle plutôt qu’à l’activité de régions isolées. Le schéma en miroir observé entre les états psychédéliques et les états de conscience diminuée renforce l’idée que l’intégration globale est un corrélat neuronal fondamental de la conscience.
Les résultats contribuent à réconcilier deux théories globales majeures, la GNW et l’IIT. En démontrant que l’intégration antéro-postérieure (A-P) et postéro-postérieure (P-P) sont toutes deux essentielles, l’étude suggère que ces théories ne sont pas mutuellement exclusives mais plutôt complémentaires. L’intégration A-P, impliquant les aires transmodales, est cohérente avec la GNW, tandis que la forte intégration P-P, impliquant à la fois des aires transmodales et unimodales (sensorielles), correspond à la ‘zone chaude’ postérieure de l’IIT.
En introduisant une analyse le long d’un axe fonctionnel unimodal-transmodal, l’étude offre une perspective plus fine sur la hiérarchie cérébrale. Elle met en évidence que la conscience dépend de l’interaction dynamique entre les aires de traitement sensoriel de bas niveau et les aires cognitives d’ordre supérieur. Cette approche unificatrice combine des éléments de plusieurs théories pour proposer une vue plus complète des fondements neuronaux de la conscience.
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