Bien avant que le monde n'ait jamais entendu parler de covid-19, Kay Tye a entrepris de répondre à une question qui a pris une nouvelle résonance à l'ère de la distanciation sociale: lorsque les gens se sentent seuls, ont-ils envie d'interactions sociales de la même manière qu'une personne affamée aspire à la nourriture? Et ses collègues et elle pourraient-ils détecter et mesurer cette «faim» dans les circuits neuronaux du cerveau?

«La solitude est une chose universelle. Si je devais demander aux gens dans la rue: «Savez-vous ce que signifie être seul?», Probablement 99 ou 100% des gens répondraient oui », explique Tye, neuroscientifique au Salk Institute of Biological Sciences. «Il semble raisonnable de soutenir que ce devrait être un concept en neuroscience. C'est juste que personne n'a jamais trouvé un moyen de le tester et de le localiser dans des cellules spécifiques. C'est ce que nous essayons de faire. "

Ces dernières années, une vaste littérature scientifique a émergé reliant la solitude à la dépression, l'anxiété, l'alcoolisme et la toxicomanie. Il existe même un nombre croissant de travaux épidémiologiques montrant que la solitude vous rend plus susceptible de tomber malade: elle semble provoquer la libération chronique d'hormones qui suppriment une fonction immunitaire saine. Les changements biochimiques dus à la solitude peuvent accélérer la propagation du cancer, accélérer les maladies cardiaques et la maladie d'Alzheimer, ou simplement vider les plus vitaux d'entre nous de la volonté de continuer. La capacité de le mesurer et de le détecter pourrait aider à identifier les personnes à risque et ouvrir la voie à de nouveaux types d'interventions.

Dans les mois à venir, beaucoup mettent en garde, nous verrons probablement les effets sur la santé mentale du covid-19 se manifester à l'échelle mondiale. Les psychiatres s'inquiètent déjà de l'augmentation des taux de suicide et de surdoses de drogue aux États-Unis, et l'isolement social, ainsi que l'anxiété et le stress chronique, en sont une des causes probables. «La reconnaissance de l'impact de l'isolement social sur le reste de la santé mentale touchera tout le monde très bientôt», dit Tye. «Je pense que l'impact sur la santé mentale sera assez intense et assez immédiat.»

Pourtant, quantifier, voire définir, la solitude est un défi difficile. Si difficile, en fait, que les neuroscientifiques ont longtemps évité le sujet.

La solitude, dit Tye, est intrinsèquement subjective. Il est possible de passer la journée complètement isolé, dans une contemplation tranquille et de se sentir revigoré. Ou pour mijoter dans la misère aliénée entouré d'une foule, au cœur d'une grande ville, ou accompagné d'amis proches et de la famille. Ou, pour prendre un exemple plus contemporain, participer à un appel Zoom avec des proches dans une autre ville et se sentir profondément connecté – ou même plus solitaire que lorsque l'appel a commencé.

Ce flou pourrait expliquer les résultats curieux qui sont revenus lorsque Tye, avant de publier son premier article scientifique sur la neuroscience de la solitude en 2016, a lancé une recherche d'autres articles sur le sujet. Bien qu'elle ait trouvé des études sur la solitude dans la littérature psychologique, le nombre d'articles contenant également les mots «cellules», «neurones» ou «cerveau» était précisément de zéro.

Les neuroscientifiques ont longtemps supposé que les questions sur le fonctionnement de la solitude dans le cerveau humain échapperaient à leurs laboratoires axés sur les données.

Bien que la nature de la solitude ait préoccupé certains des plus grands esprits de la philosophie, de la littérature et de l'art pendant des millénaires, les neuroscientifiques ont longtemps supposé que les questions sur la façon dont cela pourrait fonctionner dans le cerveau humain échapperaient à leurs laboratoires axés sur les données. Comment quantifiez-vous l'expérience? Et où commencerais-tu même à chercher dans le cerveau les changements provoqués par un sentiment aussi subjectif?

Tye espère changer cela en construisant un domaine entièrement nouveau: un domaine visant à analyser et à comprendre comment nos perceptions sensorielles, nos expériences précédentes, nos prédispositions génétiques et nos situations de vie se combinent avec notre environnement pour produire un état biologique concret et mesurable appelé solitude. Et elle veut identifier à quoi ressemble cette expérience apparemment ineffable lorsqu'elle est activée dans le cerveau.

Si Tye réussit, cela pourrait conduire à de nouveaux outils d'identification et de suivi des personnes à risque de maladies aggravées par la solitude. Cela pourrait également offrir de meilleurs moyens de gérer ce qui pourrait être une crise de santé publique imminente déclenchée par la covid-19.

Trouver les neurones de la solitude

Tye s'est focalisé sur des populations spécifiques de neurones dans le cerveau de rongeurs qui semblent être associées à un besoin mesurable d'interaction sociale – une faim qui peut être manipulée en stimulant directement les neurones eux-mêmes. Pour identifier ces neurones, Tye s'est appuyée sur une technique qu'elle a développée alors qu'elle travaillait comme post-doctorante dans le laboratoire de l'Université Stanford de Karl Deisseroth.

Deisseroth avait mis au point l'optogénétique, une technique dans laquelle des protéines sensibles à la lumière génétiquement modifiées sont implantées dans des cellules cérébrales; Les chercheurs peuvent ensuite activer ou désactiver des neurones individuels simplement en faisant briller des lumières sur eux via des câbles à fibres optiques. Bien que la technique soit beaucoup trop invasive pour être utilisée chez les humains – ainsi qu'une injection dans le cerveau pour délivrer les protéines, elle nécessite de faire passer le câble à fibre optique à travers le crâne et directement dans le cerveau – elle permet aux chercheurs de modifier les neurones en direct , des rongeurs en mouvement libre, puis observez leur comportement.

Tye a commencé à utiliser l'optogénétique chez les rongeurs pour retracer les circuits neuronaux impliqués dans l'émotion, la motivation et les comportements sociaux. Elle a découvert qu'en activant un neurone, puis en identifiant les autres parties du cerveau qui répondaient au signal émis par le neurone, elle pouvait tracer les circuits discrets de cellules qui travaillent ensemble pour exécuter des fonctions spécifiques. Tye a méticuleusement retracé les connexions hors de l'amygdale, un ensemble de neurones en forme d'amande que l'on pense être le siège de la peur et de l'anxiété chez les rongeurs et chez les humains.

Kay Tye
Kay Tye, neuroscientifique au Salk Institute of Biological Sciences, tente de détecter et de mesurer la solitude dans les circuits neuronaux du cerveau.
JENNY SIEGWART

Les scientifiques savaient depuis longtemps que la stimulation de l'amygdale dans son ensemble pouvait amener un animal à se recroqueviller de peur. Mais en suivant le labyrinthe de connexions dans et hors de différentes parties de l'amygdale, Tye a pu démontrer que le «circuit de peur» du cerveau était capable d'imprégner des stimuli sensoriels avec beaucoup plus de nuances que ce que l'on avait compris auparavant. Il semblait, en fait, moduler le courage aussi.

Au moment où Tye a installé son laboratoire à l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire du MIT en 2012, elle suivait les connexions neuronales de l'amygdale à des endroits comme le cortex préfrontal, connu sous le nom de direction du cerveau, et l'hippocampe, le siège de la mémoire épisodique. . L'objectif était de construire des cartes des circuits à travers le cerveau sur lesquelles nous nous appuyons pour comprendre le monde, donner un sens à notre expérience d'instant en instant et répondre à différentes situations.

Elle a commencé à étudier la solitude en grande partie par hasard. En recherchant de nouveaux post-doctorants, Tye est tombé sur le travail de Gillian Matthews. En tant qu'étudiante diplômée à l'Imperial College de Londres, Matthews avait fait une découverte inattendue en séparant les souris dans ses expériences. L'isolement social – le fait même d'être seul – semblait avoir changé les cellules cérébrales appelées neurones DRN d'une manière qui impliquait qu'elles pouvaient jouer un rôle dans la solitude.

Tye a immédiatement vu les possibilités. «Oh, mon Dieu, c'est incroyable!» elle se souvient avoir pensé. Le fait que les signes d'isolement social puissent être attribués à une partie spécifique du cerveau lui semblait tout à fait logique. «Mais où est-il et comment le trouveriez-vous? Si cela pouvait être la région, j'ai pensé que ce serait super intéressant. Dans toutes ses études sur les neurones, dit Tye, «je n’avais jamais rien vu d’isolement social auparavant. Déjà."

Tye s'est rendu compte que si elle et Matthews pouvaient construire une carte d'un circuit de solitude, ils pourraient répondre en laboratoire précisément aux types de questions qu'elle espérait explorer: comment le cerveau imprègne-t-il l'isolement social d'un sens? Comment et quand l'expérience objective de ne pas être avec les gens, en d'autres termes, devient-elle l'expérience subjective de la solitude? La première étape a été de mieux comprendre le rôle des neurones DRN dans cet état mental.

Les neurones DRN sont représentés ici dans le système dopaminergique et les circuits en aval.

L'une des premières choses que Tye et Matthews ont remarquées était que lorsqu'ils stimulaient ces neurones, les animaux étaient plus susceptibles de rechercher une interaction sociale avec d'autres souris. Dans une expérience ultérieure, ils ont montré que les animaux, lorsqu'ils avaient le choix, évitaient activement les zones de leurs cages qui, une fois entrées, déclenchaient l'activation des neurones. Cela suggérait que leur quête d'interaction sociale était davantage motivée par un désir d'éviter la douleur que de générer du plaisir – une expérience qui imitait l'expérience «aversive» de la solitude.

Dans une expérience de suivi, les chercheurs ont mis certaines des souris à l'isolement pendant 24 heures, puis les ont réintroduites dans des groupes sociaux. Comme on pouvait s'y attendre, les animaux ont cherché et ont passé un temps inhabituel à interagir avec d'autres animaux, comme s'ils étaient «seuls». Puis Tye et Matthews ont de nouveau isolé les mêmes souris, cette fois en utilisant l'optogénétique pour faire taire les neurones DRN après la période d'isolement. Cette fois, les animaux ont perdu le désir de contact social. C'était comme si l'isolement social n'avait pas été enregistré dans leur cerveau.

Les scientifiques savent depuis longtemps que le cerveau héberge l'équivalent biologique de la jauge de carburant d'une voiture – un système homéostatique complexe qui permet à notre matière grise de suivre l'état de nos besoins biologiques de base, comme ceux de la nourriture, de l'eau et du sommeil. Le but du système est de nous conduire vers des comportements visant à maintenir ou à restaurer notre état naturel d'équilibre.

Tye et Matthews semblent avoir trouvé l'équivalent d'un régulateur homéostatique pour les besoins de base en contact social des rongeurs. La question suivante: que signifient ces résultats pour les gens?

Avide de sourire

Pour répondre à cette question, Tye travaille avec des chercheurs du laboratoire de Rebecca Saxe, professeur de neurosciences cognitives au MIT, spécialisée dans l'étude de la cognition sociale et des émotions humaines.

Les expériences humaines sont beaucoup plus difficiles à concevoir car la chirurgie cérébrale requise pour l'optogénétique n'est pas une option. Mais il est possible d'exposer des personnes seules à des images de personnes amicales offrant des indices sociaux – comme un sourire – puis de surveiller et d'enregistrer les changements dans le flux sanguin vers différentes parties du cerveau à l'aide de l'imagerie IRMf. Et, grâce à des expériences précédentes, les scientifiques ont une bonne idée de l'endroit où regarder dans le cerveau – une zone analogue à celle que Matthews et Tye ont étudiée chez la souris.

L’année dernière, Livia Tomova, une postdoctorante qui a supervisé la recherche dans le laboratoire de Saxe, a recruté 40 volontaires qui se sont identifiés comme ayant de grands réseaux sociaux et de très faibles niveaux de solitude. Tomova a exilé ses sujets dans une pièce du laboratoire et a interdit tout contact humain pendant 10 heures. À titre de comparaison, Tomova a demandé aux mêmes participants de revenir pour une deuxième session de 10 heures qui contenait beaucoup d'interaction sociale, mais pas de nourriture.

Tomova et Saxe ont utilisé des scans IRMf pour mesurer la réponse du cerveau aux interactions alimentaires et sociales après des périodes de jeûne et d’isolement. L'analyse à droite montre l'activité dans le mésencéphale associée aux récompenses.
mésencéphale scan fmri

scan fmri

À la fin de chaque session, les sujets ont été invités à monter dans le scanner IRMf et ont été exposés à différentes images: certaines montraient des personnes offrant des signaux sociaux non verbaux, et d'autres contenaient des images de nourriture.

Contrairement à Tye et Matthews, Tomova était incapable de se concentrer sur les neurones individuels. Mais elle a pu suivre les changements dans le flux sanguin dans de plus grandes zones de l'analyse, appelées voxels; chaque voxel a montré l'activité changeante de populations discrètes de plusieurs milliers de neurones. Tomova s'est concentré sur les zones du mésencéphale connues pour être riches en neurones associés à la production et au traitement du neurotransmetteur dopamine.

Ces domaines ont déjà été liés dans d'autres expériences à la sensation de «vouloir» ou de «vouloir» quelque chose. Ce sont des zones qui s’allument en réponse à des images de nourriture lorsqu'une personne a faim ou à des images liées à la drogue chez des personnes dépendantes. Feraient-ils la même chose chez les personnes seules montrées des images d'un sourire?

La réponse était claire: après l’isolement social, les scintigraphies cérébrales des sujets ont montré beaucoup plus d’activité dans le mésencéphale quand on leur a montré les images de signaux sociaux. Lorsque les sujets avaient faim mais n'avaient pas été isolés socialement, ils manifestaient une réaction tout aussi robuste aux signaux alimentaires, mais pas aux signaux sociaux.

«Qu'il s'agisse de la recherche de contacts sociaux ou de la recherche d'autres choses comme la nourriture, cela semble être représenté de manière très similaire», déclare Tomova.

L'expérience pandémique

Comprendre comment la soif de contact social est produite dans le cerveau pourrait permettre de mieux comprendre le rôle de l'isolement social dans certaines maladies.

Mesurer objectivement la solitude dans le cerveau, plutôt que de demander aux gens ce qu'ils ressentent, pourrait fournir une certaine clarté sur le lien entre la dépression et la solitude, par exemple. Qu'est-ce qui vient en premier: la dépression cause-t-elle la solitude ou la solitude cause-t-elle la dépression? Et l'intervention sociale appliquée au bon moment pourrait-elle aider à lutter contre la dépression?

Des informations sur les circuits de la solitude dans le cerveau pourraient également éclairer la dépendance, à laquelle les animaux isolés sont plus enclins, selon certaines recherches. Les preuves semblent particulièrement fortes chez les animaux adolescents, qui semblent être encore plus sensibles aux effets de l'isolement social que les animaux plus âgés ou plus jeunes. Les personnes âgées de 16 à 24 ans sont les plus susceptibles de déclarer se sentir seules, et c'est aussi l'âge auquel de nombreux troubles de santé mentale commencent à se manifester. Y a-t-il une connexion?

Des informations sur les circuits de la solitude dans le cerveau pourraient éclairer la dépendance.

Mais le besoin actuel le plus évident est peut-être en réponse à l'isolement social provoqué par la pandémie de covid. Certaines enquêtes sur Internet ne font état d'aucune augmentation globale de la solitude depuis le début de la pandémie, mais qu'en est-il des personnes les plus exposées aux problèmes de santé mentale? Lorsqu'ils sont isolés, à quel moment commence-t-il à mettre en danger leur bien-être psychologique et physique? Et quels types d'interventions pourraient les protéger de ce danger? Une fois que nous pouvons mesurer la solitude, nous pouvons commencer à le découvrir, ce qui facilite grandement la conception d'interventions ciblées.

«Une question vitale pour les recherches futures est de savoir dans quelle mesure et quels types d'interactions sociales positives sont suffisantes pour répondre à ce besoin fondamental et éliminer ainsi la réponse neuronale à l'envie», ont écrit Tomova et Tye dans une pré-impression de leur prochain article, posté à la fin. de Mars. La pandémie «a souligné la nécessité d'une meilleure compréhension des besoins sociaux humains et du mécanisme neuronal sous-jacent à la motivation sociale», ont-ils écrit. «L'étude actuelle constitue un premier pas dans cette direction.»

Cela, dans le langage généralement discret de la science, signale la naissance d'un tout nouveau domaine de recherche – pas quelque chose dont vous avez souvent la chance d'être témoin, et encore moins d'en faire partie.

«C'est tellement excitant pour moi, car ce sont tous des concepts que nous avons entendus un million de fois en psychologie, et pour la toute première fois, nous avons en fait des cellules dans le cerveau que nous pouvons relier au système», dit Tye . «Et une fois que vous avez une cellule, vous pouvez tracer vers l'arrière, vous pouvez tracer vers l'avant; vous pouvez comprendre ce qui est en amont; vous pouvez comprendre ce que font tous les neurones en amont et quels messagers sont envoyés », explique Tye. «Maintenant, vous pouvez trouver tout le circuit; vous savez par où commencer. »

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