Depuis plus de 200 ans, les scientifiques recherchent une telle association. Commencé à utiliser des mesures approximatives, telles que le volume estimé du crâne ou la circonférence de la tête, l’enquête est devenue plus sophistiquée au cours des dernières décennies lorsque les IRM ont offert une comptabilité très précise du volume du cerveau.

Pourtant, le lien est resté flou et lourd, de nombreuses études ne prenant pas en compte les variables confusionnelles, telles que la taille et le statut socio-économique. Les études publiées sont également sujettes à un « biais de publication », la tendance à ne publier que des résultats plus remarquables.

Une nouvelle étude, la plus importante du genre, dirigée par Gideon Nave de la Wharton School de l’Université de Pennsylvanie et Philipp Koellinger de la Vrije Universiteit Amsterdam, a clarifié le lien. En utilisant des informations dérivées de l’IRM sur la taille du cerveau en relation avec les résultats des tests de performance cognitive et les mesures de niveau d’éducation obtenues auprès de plus de 13 600 personnes, les chercheurs ont constaté que, comme l’ont suggéré des études précédentes, une relation positive existe entre le volume du cerveau et la performance aux tests cognitifs. Mais cette conclusion s’accompagne de mises en garde importantes.

« L’effet est là », explique Nave, professeur adjoint de marketing à Wharton. « En moyenne, une personne avec un cerveau plus grand aura tendance à mieux performer aux tests de cognition qu’une personne avec un cerveau plus petit. Mais la taille n’est qu’une petite partie de l’image, expliquant environ 2% de la variabilité des performances des tests. Pour le niveau d’éducation, l’effet était encore plus faible: une « tasse » supplémentaire (100 centimètres carrés) de cerveau augmenterait les années de scolarité d’une personne moyenne de moins de cinq mois. »Dit Koellinger « cela implique que des facteurs autres que celui-ci qui a reçu tant d’attention au fil des ans représentent 98% de l’autre variation des performances des tests cognitifs. »

 » Pourtant, l’effet est suffisamment fort pour que toutes les études futures qui tenteront de démêler les relations entre des mesures plus fines de l’anatomie du cerveau et de la santé cognitive contrôlent le volume total du cerveau. Ainsi, nous considérons notre étude comme une contribution modeste, mais importante, à une meilleure compréhension des différences de santé cognitive. »

Les collaborateurs de Nave et Koellinger sur ce travail, publié dans la revue Psychological Science, comprenaient Joseph Kable, professeur de Baird au département de psychologie de Penn; Wi Hoon Jung, ancien chercheur postdoctoral au laboratoire de Kable; et Richard Karlsson Linné, postdoc dans le laboratoire de Koellinger.

Dès le départ, les chercheurs ont cherché à minimiser les effets des biais et des facteurs de confusion dans leur recherche. Ils ont préenregistré l’étude, ce qui signifie qu’ils ont publié leurs méthodes et se sont engagés à les publier à l’avance afin qu’ils ne puissent pas simplement enterrer les résultats si les résultats semblaient insignifiants. Leurs analyses ont également systématiquement contrôlé le sexe, l’âge, la taille, le statut socio-économique et la structure de la population, mesurés à l’aide de la génétique du participant. La taille est corrélée à une meilleure performance cognitive, par exemple, mais aussi à une plus grande taille du cerveau, de sorte que leur étude a tenté de se concentrer sur la contribution de la taille du cerveau en elle-même.

Des études antérieures avaient systématiquement identifié une corrélation entre la taille du cerveau et les performances cognitives, mais la relation semblait s’affaiblir à mesure que les études incluaient plus de participants, alors Nave, Koellinger et ses collègues espéraient poursuivre la question avec une taille d’échantillon qui éclipsait les efforts précédents.

L’étude s’est appuyée sur un ensemble de données récemment amassées, la Biobank BRITANNIQUE, un référentiel d’informations provenant de plus d’un demi-million de personnes à travers le Royaume-Uni. La Biobanque comprend des informations sur la santé et les données génétiques des participants ainsi que des images scannées du cerveau d’un sous-ensemble d’environ 20 000 personnes, un nombre qui augmente d’un mois à l’autre.

« Cela nous donne quelque chose qui n’existait jamais auparavant », dit Koellinger. « Cette taille d’échantillon est gigantesque – 70% plus grande que toutes les études antérieures sur ce sujet réunies – et nous permet de tester la corrélation entre la taille du cerveau et les performances cognitives avec une plus grande fiabilité. »

Mesurer les performances cognitives est une tâche difficile, et les chercheurs notent que même l’évaluation utilisée dans cette étude présente des faiblesses. Les participants ont répondu à un court questionnaire qui teste la logique et la capacité de raisonnement, mais n’a pas acquis de connaissances, ce qui donne une mesure relativement « bruyante » de la performance cognitive générale.

À l’aide d’un modèle intégrant diverses variables, l’équipe a cherché à déterminer lesquelles étaient prédictives d’une meilleure performance cognitive et d’un meilleur niveau de scolarité. Même en contrôlant d’autres facteurs, comme la taille, le statut socio-économique et l’ascendance génétique, le volume total du cerveau était positivement corrélé avec les deux.

Les résultats sont quelque peu intuitifs. « C’est une analogie simplifiée, mais pensez à un ordinateur », dit Nave. « Si vous avez plus de transistors, vous pouvez calculer plus rapidement et transmettre plus d’informations. Il peut en être de même dans le cerveau. Si vous avez plus de neurones, cela peut vous permettre d’avoir une meilleure mémoire ou d’effectuer plus de tâches en parallèle.

« Cependant, les choses pourraient être beaucoup plus complexes en réalité. Par exemple, considérez la possibilité qu’un cerveau plus gros, qui est très héritable, soit associé à un meilleur parent. Dans ce cas, l’association entre un cerveau plus grand et les performances des tests peut simplement refléter l’influence de la parentalité sur la cognition. Nous ne pourrons pas aller au fond des choses sans plus de recherches. »

L’un des résultats notables de l’analyse portait sur les différences entre les hommes et les femmes. « Tout comme avec la taille, il y a une différence assez importante entre les hommes et les femmes dans le volume cérébral, mais cela ne se traduit pas par une différence de performance cognitive », explique Nave.

Un regard plus nuancé sur les scanners cérébraux peut expliquer ce résultat. D’autres études ont rapporté que chez les femelles, le cortex cérébral, la couche externe de la partie avant du cerveau, a tendance à être plus épais que chez les mâles.

« Cela pourrait expliquer le fait que, malgré un cerveau relativement plus petit en moyenne, il n’y a pas de différence efficace de performance cognitive entre les hommes et les femmes », explique Nave. « Et bien sûr, beaucoup d’autres choses pourraient se passer. »

Les auteurs soulignent que la corrélation globale entre le volume cérébral et le « cerveau » était faible; personne ne devrait mesurer la taille de la tête des candidats au poste pendant le processus d’embauche, plaisante Nave. En effet, ce qui ressort de l’analyse, c’est le peu de volume cérébral qui semble expliquer. Des facteurs tels que le style parental, l’éducation, la nutrition, le stress et d’autres sont probablement des contributeurs majeurs qui n’ont pas été testés spécifiquement dans l’étude.

« Les estimations précédentes de la relation entre la taille du cerveau et les capacités cognitives étaient suffisamment incertaines pour que la vraie relation ait pu être pratiquement très importante, ou, alternativement, pas très différente de zéro », explique Kable.  » Notre étude permet au domaine d’être beaucoup plus confiant quant à l’ampleur de cet effet et à son importance relative à l’avenir. »

Dans les travaux de suivi, les chercheurs prévoient de zoomer pour déterminer si certaines régions du cerveau, ou la connectivité entre elles, jouent un rôle démesuré dans la contribution à la cognition.

Ils espèrent également qu’une meilleure compréhension des fondements biologiques de la performance cognitive peut aider à mettre en lumière les facteurs environnementaux qui y contribuent, dont certains peuvent être influencés par des actions individuelles ou des politiques gouvernementales.

« Supposons que vous ayez la biologie nécessaire pour devenir un joueur de golf ou de tennis fantastique, mais que vous n’ayez jamais l’occasion de jouer, donc vous ne réalisez jamais votre potentiel », explique Nave.

Ajoute Koellinger: « Nous espérons que, si nous pouvons comprendre les facteurs biologiques liés aux performances cognitives, cela nous permettra d’identifier les circonstances environnementales dans lesquelles les gens peuvent le mieux manifester leur potentiel et rester en bonne santé cognitive. Nous venons de commencer à gratter la surface de l’iceberg ici. »

La recherche a été soutenue par une subvention de consolidation ERC, la Wharton Neuroscience Initiative et le Fonds de recherche Dean de Wharton.