samedi 18 février 2017

HEP TAXI ! GPS CONTRE NEUROSCIENCES

John Hunter (1728-1793)

Dans les années 1780, John Hunter est déjà un chirurgien talentueux et reconnu, membre de la Société royale de médecine anglaise. Après avoir étudié les blessures par armes à feu et les maladies vénériennes, et sans doute influencé par son frère obstétricien, il s’intéresse de près à la procréation.

Depuis 10 ans déjà, les médecins savent qu’il est nécessaire d’avoir un spermatozoïde et un ovule pour cela. En 1780, un prêtre italien, Spallanzani, observe la fécondation d’un ovule par un spermatozoïde et réalise la première insémination artificielle chez une chienne : il dépose le sperme d’un mâle au fond du vagin d’une chienne pour provoquer une fécondation.

Neuf ans plus tard, l’expérience est reproduite chez l’Homme, et c’est le fruit du travail de John Hunter –il laissera d’ailleurs son nom à la postérité pour cela.

L’anglais eu des élèves qui deviendront célèbres, et notamment Edward Jenner qui n’inventa ni plus ni moins que la vaccination en 1796.

John Hunter fut un brillant scientifique, mais aussi un vulgarisateur dévoué qui dévolu une grande partie de sa fortune à la création d’un musée dans lequel il y exposerait toutes les pièces anatomiques (animales à l’origine) qu’il avait accumulé au fil de sa vie. Ledit musée fut inauguré dès 1799 en plein cœur de Londres.

Il s’y trouve toujours actuellement, et il est possible de le visiter ! Cependant, je conseillerai aux âmes sensibles d’éviter ce pèlerinage, car si la vue d’outils chirurgicaux n’est pas particulièrement choquante, celle de nouveau-né conservés dans des bocaux de formol peut l’être un petit peu plus !


Vous aurez bien d’autres choses à faire dans la capitale anglaise. Le Parlement, Big Ben, la Tamise et le Tower Bridge, se prendre en photo devant des cabines téléphoniques… et prendre le taxi bien sûr !

Quoi de plus typique que les « Black Cab » londoniens ? Il inspira nombre de cinéastes et d’auteurs. Ils sont d’autant plus appréciables qu’ils inspirèrent aussi certains neuroscientifiques…


L’hippocampe est une structure profonde du lobe temporal qui est absolument essentielle à notre mémoire. Il est particulièrement impliqué dans l’acquisition de nouveaux souvenirs : il encode puis consolide le souvenir avant de le « stocker » à une adresse bien précise, quelque part sur le cortex.

L'hippocampe est une structure située dans les profondeurs du lobe
temporal, qui a un rôle essentiel dans l'acquisition de nouveaux souvenirs.

Ainsi, lorsque les 2 hippocampes d’un individu sont lésés, il ne peut plus acquérir de nouveau souvenirs mais est toujours capable de se rappeler de sa vie passée. On peut aussi constater le rôle de l’hippocampe dans la maladie d’Alzheimer dans laquelle l’amnésie (antérograde) est l'un des symptômes majeurs.

A ce propos, il est important de noter que, contrairement à ce que beaucoup croient, la maladie d’Alzheimer n’est pas une pathologie de la mémoire. C’est une maladie qui touche l’ensemble du cerveau, mais qui affecte les hippocampes de manière précoce : c’est pour cela qu’on diagnostique la maladie sur des problèmes de mémoire. Ensuite, la maladie diffuse fatalement à l’ensemble du cerveau, affectant les autres fonctions cognitives, et aboutissant fatalement à la mort.

L’hippocampe est de plus une structure particulièrement impliquée dans la navigation et la mémoire spatiale –le fait de pouvoir s’orienter et retrouver son chemin. Chez certaines espèces d’oiseaux comme le geai, l’hippocampe est particulièrement développé. Ces oiseaux ont la particularité de cacher des dizaines de milliers de graines (plus de 25 000 dans plus de 2500 cachettes différentes !) pendant l’été pour pouvoir ensuite survivre au cours des durs mois d’hiver. Leur mémoire est prodigieuse, proportionnellement à  leur hippocampe bien plus volumineux par rapport à d’autres oiseaux de même gabarit.


Un hippocampe plus gros semble donc lié à de plus grandes capacités de mémoire et d’orientation spatiales, en tout cas chez le geai.


Mais qu’en est-il chez l’Homme ?

Il semble impossible en pratique de former de manière objective 2 groupes de personnes sur le critère d’un bon un d’un mauvais sens de l’orientation –même si les plus mauvaise langues me diront qu’il suffirait simplement de séparer les hommes des femmes, mais non, je ne me rabaisserais pas à ce genre d’humour sexiste et misogyne sur ce blog.


Une équipe de chercheurs londoniens eurent un jour le déclic : pourquoi ne pas utiliser comme groupe test les chauffeurs de taxi ? En effet, il faut savoir que l’évaluation d’admission des chauffeurs de taxi londoniens est particulièrement drastique : pour être reçu dans ce cercle très restreint, il faut avoir préalablement et rigoureusement appris par cœur l’ensemble des rues du centre-ville de Londres –ce qui représente tout de même 25 000 rues !

Dur de plancher sur les 25000 rues londoniennes...

Ainsi, de la même manière que les geais doivent retenir l’emplacement de 2500 cachettes pour survivre pendant l’hiver, les aspirants taxi(wo)mens doivent patiemment apprendre les 25 000 rues de la capitale anglaise pour avoir l’honneur de prendre le volant d’un Black cab. Elles/Ils peuvent donc être considérés, à l’instar de leurs homologues oiseaux, particulièrement doué pour la navigation spatiale !

Ces scientifiques ont donc cherché à savoir s’il existait des différences entre le cerveau des conducteurs de taxi et celui du commun des mortels. Pour cela, ils ont utilisé l’IRM qui permet de visualiser avec une grande précision le cerveau.

Leurs analyses montrèrent que le volume de seulement 2 régions dans l’ensemble du cerveau diffère entre les chauffeurs de taxi et les personnes lambda : l’hippocampe droit et l’hippocampe gauche. Ce qui avait été observé chez le geai est donc aussi vrai chez l’Homme : meilleure est sa navigation spatiale, plus gros sera son hippocampe !

Mais, étonnement, ces variations de volumes ne sont pas uniformes : si la partie postérieure de l’hippocampe est bien plus grosse chez les taxi drivers, la partie antérieure est au contraire plus grosse chez les individus lambda ! Comment expliquer cela ?

Selon les auteurs de l’étude, ces 2 observations ne résulteraient pas de phénomènes indépendants mais d’une réorganisation des circuits neuronaux de l’hippocampe. En effet, c’est la partie postérieure de l’hippocampe qui est connue pour être impliquée dans la navigation spatiale, et pas la partie antérieure. Le besoin accru des chauffeurs de taxi dans ce domaine très spécifique entraînerai une réorganisation de l’hippocampe qui renforcerai sa partie postérieure au détriment de sa partie antérieure.

De fait, plus les taxi drivers sont expérimentés, plus leur hippocampe postérieur est volumineux et plus leur hippocampe antérieur est petit !

Ainsi donc, les individus ayant un très bon sens de l’orientation ont un hippocampe (postérieur) plus développé, ce qui est, nous l’avons vu, pas très étonnant car c’est cette structure qui gère la navigation et la mémoire spatiale. Cependant, une question se pose toujours : est-ce que c’est la profession qui provoque une augmentation de la taille de l’hippocampe, ou est-ce qu’un hippocampe plus gros représente une prédisposition pour devenir chauffeur de taxi ?

Autrement dit, le volume augmenté de l’hippocampe des taxi drivers est-il inné (c’est-à-dire présent avant de devenir taximen) ou acquis (dû à l’exercice de la profession) ? Est-ce la cause ou la conséquence ?

Il faudra attendre 10 ans aux scientifiques londoniens pour apporter une réponse à ces questions. En 2011, ils publièrent leurs travaux qui cette fois, ne s’intéressait pas aux chauffeurs de taxi… mais aux candidats qui postulaient pour le devenir.

Comme nous le disions plus haut, la sélection pour obtenir le droit de s’installer derrière le volant d’un cab est drastique. Ce n’est qu’après avoir mémorisé les 25 000 rues de Londres que le candidat aura une chance d’être accepté. Il lui faudra entre 2 et 4 ans pour atteinte « The Knowledge ».


Les chercheurs anglais suivirent 79 postulants durant leur long apprentissage. Ils leur firent passer 2 IRM, une au début et une juste après leur examen, 4 ans plus tard. Sur ces 79 individus, seuls 39 réussirent le concours.

Existe-t-il une différence entre le cerveau de ceux qui ont échoué par rapport à ceux qui ont réussi, avant même que leur entrainement ne commence ? Autrement dit, ceux qui ont été embauchés ont-ils réussi le concours parce que dès le départ ils possédaient un hippocampe plus volumineux, et donc plus performant ?

La réponse est non ! Aucune différence n’existe à cet instant 0 entre les 2 groupes (échec versus succès 4 ans plus tard), que ce soit dans toutes les tâches de mémoire ou pour le volume de l’hippocampe ! Encore mieux, il n’existe aucune différence entre les aspirants taxi drivers et le reste de la population !

Le fait de vouloir se lancer dans la carrière de taxi driver n’a donc pas de lien évident avec une prédisposition innée en mémoire spatiale, et la réussite au concours ne dépend pas non plus de ce type de prédisposition.

Tout le monde part sur le même pied d’égalité !


En revanche, tout le monde n’évolue pas de la même façon au cours des 4 années d’entraînement. Comme on peut s’y attendre, ceux qui réussissent le concours ont un hippocampe qui augmente fortement de volume (reflet de leurs connaissances des rues de Londres qui augmentent elles aussi). Au contraire, le volume de l’’hippocampe des candidats qui échouent au concours est lui resté fatalement stable –alors même qu’ils ont passé autant de temps que les autres à bachoter le plan de Londres !

La réussite au concours de chauffeur de taxi londonien ne dépend donc pas de prédispositions innées sous-tendues par un volume plus important de l’hippocampe, mais uniquement de l’apprentissage et des répercussions qu’il a sur l’hippocampe.

Enfin, non. La réussite peut tout de même être influencée par des prédispositions innées (génétiques), non pas dans les capacités mnésiques (de la mémoire) mais pour la plasticité cérébrale. Ainsi, les candidats malheureux du concours ont sans doute échoué car leur hippocampe n’a pas pu se développer suffisamment pour emmagasiner la masse faramineuse d’informations.

Enfin, une dernière interrogation se pose : avec l’avènement et la généralisation des GPS dans l’ensemble des taxis de la planète, The Knowledge sera-t-il bientôt obsolète ? Je doute qu’on puisse répliquer cette étude dans 10 ans ! Peut-être d’ailleurs qu’il n’y aura même plus de chauffeur d’ici là.

Cela pose aussi la question de notre rapport aux technologies, qui remplace et supplantent peu à peu nos facultés cognitives. Dans quelle mesure notre mémoire peut encore nous être utile aujourd’hui, dans la mesure où elle est supplantée (et de loin) par le cloud, nos clé USB et les GPS ?






SOURCES :
- Laurent Cohen, Pourquoi les filles sont si bonnes en maths, 2012, Ed Odile Jabob.
- J. C. Ameisen, Sur les épaules de Darwin, Les battements du temps, 2012, Ed Les liens qui libèrent.
- Maguire, E. A., Gadian, D. G., Johnsrude, I. S., Good, C. D., Ashburner, J., Frackowiak, R. S., & Frith, C. D. (2000). Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proceedings of  the National Academy of Sciences, 97(8), 4398-4403.
- Woollett, K., & Maguire, E. A. (2011). Acquiring “the Knowledge” of London's layout drives structural brain changes. Current biology, 21(24), 2109-2114.

samedi 4 février 2017

LE CERVEAU DE TANTAN, DANS LES MÉANDRES DE LA MORT.



En 1861, le jeune médecin-assistant Paul Broca vit arriver dans son service (de chirurgie) un patient en piteux état : alité depuis près de 7 ans dans un lit d’hôpital car paralysé de tout le côté droit, il souffre d’une grave gangrène.

Ce patient s’appelle Victor Leborgne. Comme son nom le laisse présager, il n’est pas du tout malvoyant mais aphasique. Il ne peut presque pas parler mis à part 2 ou 3 syllabes comme « Tan-tan », si bien que la plupart des soignants et des patients le surnomment ainsi. Mis à part cela, ce monsieur comprend parfaitement bien ce qu’on lui dit.

Victor Leborgne est un habitant au long court de l’hôpital Bicêtre, où exerce Paul Broca : il y résidera pendant plus de 20 ans après avoir brutalement perdu la parole au cours de l’année 1839 et son père peu après.

Malheureusement pour Leborgne, Paul Broca ne put le sauver de la gangrène qui le rongeait, et il décèdera quelques jours après son admission au service de chirurgie.

Cependant, c’est à ce moment-là que Tantan entra dans l’Histoire.

Quelques jour avant de rencontrer son malheureux patient, Broca avait assisté à la Société d’Anthropologie de Paris (qu’il avait créé) a l’exposé d’un certain Ernest Auburtin. Ce dernier racontait alors sa rencontre avec l’un de ses patients qui venait de se tirer une balle dans la tête. La blessure avait été effroyable, une bonne partie de l’avant de son crâne avait volé en éclat sous la violence de l’impact. Cependant, l’Homme était toujours conscient.

Auburtin, opportuniste, sauta sur l’occasion pour vérifier une hypothèse formulée par Jean-Baptiste Bouillaud, un neurologue français du début du 19ème siècle, qui plaçait l’aire cérébrale du langage au niveau du lobe frontal. Il reprenait alors cette idée d’une discipline fumeuse, la phrénologie. Elle ne reposait donc sur rien de bien concret.
Mais Auburtin connaissait parfaitement bien cette théorie, et sans doute y croyait-il profondément car il avait épousé ni plus ni moins que la fille de Jean-Baptiste Bouillaud.

Sans doute voyait-il dans cette opportunité une occasion de plaire à beau-papa.


La phrénologie est une discipline créée de toute pièce par Franz Jospeh Gall
à la fin du 18ème siècle. Elle ne repose sur aucune donnée scientifique mais
elle est la première à introduire une notion qui deviendra fondamentale en neurologie :
les fonctions cérébrales sont "réparties" sur le cortex cérébral, si bien que les différentes
régions corticales sont spécialisées dans une tâche donnée. Cela implique qu'une lésion de
ladite région entraînera un déficit dans l'aptitude correspondante.

Toujours est-il que Auburtin prit une lame en verre et appuya délicatement sur le lobe frontal exposé à vif de son patient blessé. Dès qu’il appuya sur le cortex, alors même que le patient lui parlait, ce dernier s’interrompit en plein milieu de sa phrase, comme frappé d’un coup de mutisme. Lorsque le médecin retira la lame comprimant le lobe frontal du patient, celui-ci se remit à parler normalement.

Les aires du langage seraient donc ainsi localisées au sein du lobe frontal ?

C’est exactement ce que chercha à confirmer Broca en autopsiant Tantan après sa mort. Il décrira alors la destruction d’une grande partie du cortex frontal inférieur gauche, où il localise l’aire cérébrale du langage. Celle-ci prendra rapidement son nom, l’aire de Broca.


En bas : le cerveau de "Tan-tan" qui présente une lésion au niveau du lobe frontal
gauche, zone qui sera par la suite désignée comme l'"aire de Broca" (en rouge sur le
schéma en haut).

Cette découverte fit sensation car non seulement elle localisait précisément une fonction cognitive dans le cerveau, mais en plus elle la plaçait à gauche et non à droite. Cela montrait que les 2 hémisphères, contrairement à ce que l’on pensait alors, n’étaient pas identiques. Au contraire, chacun d’eux est expert dans certains domaines : par exemple, l’hémisphère gauche pour le langage ou l’hémisphère droit pour la reconnaissance des visages…

Précisons cependant qu’il est faux d’affirmer que l’aire du langage se situe à gauche. Il est en effet plus juste de parler de latéralisation que de localisation d’une fonction cognitive dans un hémisphère par rapport à l’autre. Pour le langage par exemple, nous n’avons pas un hémisphère gauche expert et un hémisphère droit totalement ignorant : les 2 interviennent dans le langage mais c’est le gauche qui est le plus important.

Toujours est-il que sans l’exposé de Auburtin quelques jours avant sa rencontre décisive avec Tantan, Broca n’aurait sans doute jamais autopsié le cerveau de son patient, ou tout du moins pas dans ce but précis.

Dans l’histoire des sciences, les idées surgissent rarement de nulle part. Si nous avons tendance à nous souvenir des grands scientifiques dont les découvertes ont révolutionné leur domaine, nous avons tendance à les idéaliser en génies en oubliant qu’ils ont fondé leur raisonnement sur des idées émises avant eux, sur des théories qui les précédaient.

Broca, avant d’en devenir lui-même un, était juché sur les épaules des géants qui l’ont précédé.

Le génie d’un grand scientifique est alors de savoir tirer profit des connaissances qu’il accumule, de savoir assembler les idées, de s’opposer aux théories existantes et de savoir prouver ses propres théories par l’expérience.

Beaucoup de passionnés en neurosciences connaissent l’histoire de Tantan et Broca, mais il est moins connu que le déclic ne serait pas apparu sans le travail au préalable d’Auburtin, reprenant les théories de son beau-père !


Qu’est-il arrivé au cerveau de Tantan après sa mort ?

En 1861, Victor Leborgne meurt et son médecin, Paul Broca, extrait son cerveau pour l’observer. Son cas est l’un des plus célèbres de l’histoire des neurosciences et le fer de lance d’un courant d’idées appelé localisationnisme. Cette approche des neurosciences associe chaque faculté cognitive à une zone cérébrale précise : il existe ainsi une aire du langage, une aire de la mémoire, de la peur… Et en effet, il existe bel et bien une région du cortex spécialisée dans la perception visuelle (le cortex occipital), dans la perception tactile (le gyrus post-central) ou encore dans la perception auditive (le gyrus de Heschl) par exemple.

Quelques années seulement après la découverte de Broca, un médecin allemand, Karl Wernicke, décrivit un autre cas de patient aphasique, bien différent de Tantan. Au contraire du patient de Broca, celui de Wernicke est une vraie pipelette, mais son langage est incompréhensible (il invente des mots) et lui-même ne semble pas comprendre ce qu’on lui dit. En somme, l’exact opposé des troubles de Tantan.

Karl Wernicke autopsia le cerveau de son patient à sa mort et décrira de graves lésions au niveau de l’arrière du lobe temporal, une région qui prendra rapidement son nom : l’aire de Wernicke.


Vue du cerveau de profil, indiquant les 2 régions clés du langage :
les aires de Broca et de Wernicke.

Le médecin allemand sera le principal pourfendeur du localisationnisme de Broca, et soutiendra la position inverse, l’associationnisme. Ce courant de pensée affirme qu’il n’est pas exact de disséquer le cerveau et son cortex selon une carte des facultés cognitives, mais qu’il faut penser ces dernières comme inscrite dans un réseau  mettant en jeu différentes aires cérébrales, parfois éloignées. Une faculté cognitive peut alors être perturbée lorsque le réseau est endommagé -et non seulement les aires corticales.

En clair, pour le localisationiste il existe des aires du langage dans le cerveau (l’aire de Broca et de Wernicke par exemple), alors que pour l’associationniste il existe un réseau cérébral du langage comprenant non seulement les aires cérébrales du langage mais aussi les connexions qui existent entre elles.

Localisationnisme ou associationnisme ? Broca ou Wernicke ?
Rouflaquettes ou barbe ?

Broca prit la décision de ne pas autopsier le cerveau mais de le garder intact et de le conserver dans un bocal de formol, qu’il léguera au musée Dupuytren à Paris.

Il y sera tranquille pendant près de 150 ans (mis à part à 2 occasions, en 1980 et 1994 quand il fut scanné), jusqu’en 2007 lorsque des chercheurs français et américains décidèrent de se pencher sur ce cas emblématique de la neurologie moderne, à la lumière des nouvelles technologies d’imagerie.

Entre temps, une infinité d’études sont venues étayer les connaissances à propos des bases cérébrales du langage et de l’aire de Broca. Mais la localisation de celle-ci varie en fonction des études, et des zones plus internes lui sont parfois associées. Ainsi, l’aire de Broca telle qu’elle est aujourd’hui définie par ces études n’est pas exactement à l’endroit décrit par Broca : elle est légèrement en arrière de l’original. De plus, il existe des patients ayant une aphasie de Broca… avec une aire de Broca intacte.

L’équipe franco-américaine emprunta le cerveau de Tantan au musée Dupuytren pour le placer dans une IRM. Cet examen permet de visualiser avec une grande précision l’anatomie cérébrale en 3 dimensions.

Broca avait pris la décision de ne pas disséquer le cerveau de son patient afin de le préserver pour la postérité. De nos jours, grâce à l’IRM, il est possible de disséquer virtuellement sa reconstitution en 3D.

Les résultats sont fascinants : non seulement l’aire de Broca était détruite, mais avec elle une grande partie des structures internes sous-jacente. L’insula était complètement dévastée, les noyaux gris centraux n’étaient pas mieux et, plus intrigant, les faisceaux de substances blanches semblaient eux aussi détruits. Les lésions du cerveau de Tantan ne se limitent donc pas à la seule aire de Broca, mais à une partie beaucoup plus étendue en profondeur.

Parce qu’il n’a pas disséqué le cerveau, Broca n’avait pas pu le voir. Parce qu’il n’a pas disséqué le cerveau, il a laissé la possibilité à des scientifiques, plus de 100 ans plus tard, de l’étudier avec des moyens infiniment supérieurs.

Ainsi donc, l’aphasie du pauvre Tantan n’était pas forcément due à la destruction de l’aire de Broca, mais aussi des structures sous-jacentes... Et peut-être des faisceaux de substance blanche ?

Les faisceaux de substance blanche sont composés d’axones de neurones. Ils servent à connecter les différentes aires cérébrales pour qu’elles puissent dialoguer entre elles.

Rappelez-vous : pour le localisationnisme, l’aphasie existe parce que l’aire de Broca est détruite, alors que pour l’associationnisme, l’aphasie peut provenir non seulement d’une lésion de cette aire cérébrale mais aussi des faisceaux de substance blanche qui la connectent au reste du cerveau.

Le match est relancé !

En 2015, une équipe de chercheurs anglais et français empruntèrent à nouveau le cerveau de Tantan au musée Dupuytren pour étudier les faisceaux de substance blanche de Tantan.

Leur but est alors de l’étudier grâce à une technique appelée DTI (pour Diffusion Tensor Imaging). La DTI permet de mesurer et de reconstituer en 3D ces gros faisceaux d’axones qui connectent les différentes aires cérébrales entre elles.

Ils découvrirent alors que les faisceaux de substance blanche constituant la voie cortico-spinale gauche étaient en grande partie détruits. Ces faisceaux n’ont aucun lien avec la parole : il s’agit des voies motrices qui descendent du cortex moteur et plongent vers la moelle épinière pour transmettre l’ordre aux muscles de se contracter.

Mais rappelez-vous : Victor Leborgne était hémiplégique, totalement paralysé du côté droit. Ces lésions de la voie cortico-spinale expliquent donc ces symptômes.

Il n’a été décrit aucune lésion du cortex moteur de Tantan…

La voie cortico-spinale (en rouge) correspond aux faisceaux de substance
blanche qui connectent le cortex moteur (a;b) aux muscles via la moelle épinière
(en coupe sur le schéma de droite). C'est par la voie cortico-spinale que transitent les
ordres moteurs émanent du cortex moteur jusqu'aux muscles.

Mais la découverte la plus importante de cette étude concerne le faisceau arqué, qui était sévèrement atteint. Or, le faisceau arqué contient les axones qui connectent l’aire de Broca à celle de Wernicke, les deux aires du langage…

Je devrais dire, les deux aires appartenant au réseau du langage…

Alors bien sûr, il existe des limites importantes aux 2 études dont nous venons de parler. Il ne faut pas oublier que Broca a dû attendre près de 20 ans après l’apparition des symptômes de Tantan pour pouvoir observer son cerveau. Vingt années au cours desquelles le cerveau a pu se modifier grâce à son incroyable plasticité, ou se détériorer  du fait de nouvelles lésions. Le cerveau une fois extrait a passé près de 150 ans dans un bocal de formol bien exigu, qui l’a déformé.

Autant de biais dans l’évaluation de ses lésions cérébrales.

De plus, Broca ne pouvait à l’époque pas effectuer sur Tantan tous les tests comportementaux que l’ont fait aujourd’hui subir à nos patients. Il existe donc un manque d’informations quant aux symptômes dont souffrait monsieur Leborgne. Avait-il d’autres déficits que son aphasie ?

Dans tous les cas, nous savons aujourd’hui que son cerveau est détruit dans un territoire bien plus grand que la seule aire de Broca, un territoire qui s’étend aux structures profondes juste en dessous et en particulier aux faisceaux de substance blanche qui la connecte aux autres aires du langage.

Il existe en neurosciences une règle empirique qui veut que les lésions du cortex engendrent nécessairement la dégradation de la substance blanche juste en dessous, qui la connecte au reste du cerveau. En revanche, une lésion seulement de la substance blanche n’affecte pas le cortex qui lui correspond.

Cela veut dire que ce qui est important dans une atteinte cérébrale n’est pas la lésion corticale mais la lésion du réseau neuronal. La dysfonction d’un réseau neuronal, mettant en jeu un ensemble d’aires cérébrales, est le dénominateur commun à l’ensemble des troubles cérébraux et ses symptômes. Le cas de Tantan en est un bon exemple.

Il faut penser en réseaux cérébraux plutôt qu’en aires cérébrales.

1-0 pour l’associationnisme.



SOURCES :
- Dronkers, N. F., Plaisant, O., Iba-Zizen, M. T., & Cabanis, E. A. (2007). Paul Broca's historic cases: high resolution MR imaging of the brains of Leborgne and Lelong. Brain, 130(5), 1432-1441.
- de Schotten, M. T., Dell'Acqua, F., Ratiu, P., Leslie, A., Howells, H., Cabanis, E., ... & Corkin, S. (2015). From Phineas Gage and monsieur Leborgne to HM: revisiting disconnection syndromes. Cerebral Cortex, bhv173.

samedi 21 janvier 2017

NEWS AND VIEWS - Janvier 2017

Accélérateur et frein du cortex moteur.

Imaginez-vous au volant de votre voiture. Soudain, le feu juste devant vous passe au rouge : vous devez freiner brusquement. Malgré l’urgence de la situation (une mamie écrasée ou, pire, une contravention), il vous faut appliquer une pression précisément calibrée sur la pédale de frein : il s’agit de freiner ni trop, ni trop peu.

Ainsi, l’ordre moteur émergeant de votre cerveau doit nécessairement être ajusté par une force contraire : l’inhibition motrice est tout aussi importante que l’exécution pour effectuer un mouvement adapté.

On connait bien aujourd’hui les circuits neuronaux qui sous-tendent cette inhibition. Ils impliquent d’une part les ganglions de la base, des structures situées en profondeur dans notre cerveau, et d’autre part le cortex préfrontal, à l’avant de notre cerveau. La boucle de régulation qu’ils forment se projette sur le cortex moteur et en inhibe l’activité, et donc l’ordre moteur qui en émerge.


La région encadrée correspond aux ganglions de la base, des structures
situées sous le cortex cérébral.

Cependant, une étude publiée ce mois-ci dans Nature Neuroscience est venue bouleverser cette vision des choses.

Une équipe berlinoise s’est penchée sur un type de mouvements bien codifié chez le rat : ceux de ses vibrisses (le mot scientifique pour parler de ses moustaches). Les vibrisses du rat se positionnent de manière très différente en fonction du contexte : à l’état normal, elles sont plutôt rétractées vers l’arrière, mais si le rat se trouve au contact d’un objet, il déploie ses vibrisses vers l’avant. Il les place même encore plus en avant lorsqu’il se trouve en face d’un autre congénère.


Les vibrisses de la souris ou du rat lui servent à apprécier l'environnement proche.
Leur position dépend du type de stimulus : plus elles sont positionnées vers l'avant,
plus le stimulus a un caractère social.

Ainsi, la position des vibrisses dépend du type de stimulus : plus elles sont antérieures, plus le contact à un aspect social.



L’équipe berlinoise implanta de très fines électrodes dans le cerveau de leurs rats pour étudier comment s’activaient certains neurones moteurs codant la position de ces vibrisses –les neurones moteur situés les plus en profondeur.

Et là, surprise : plus le rat place ses vibrisses vers l’avant (plus l’amplitude du mouvement est grande), moins les neurones moteurs profonds déchargent !

Cela semble paradoxal : plus l’amplitude du mouvement des vibrisses est grande, moins ces neurones moteurs profonds sont actifs ! Et plus ils sont actifs, plus les vibrisses se ‘détendent’ et se rabattent vers l’arrière –ce mouvement résultant principalement d’une relaxation et non d’une contraction musculaire.

Dans un second temps, l’équipe berlinoise implanta d’autres électrodes, dont le but n’était pas cette fois d’enregistrer ces neurones moteurs profonds, mais de les stimuler.

Lorsqu’ils stimulaient ces neurones alors que le rat interagissait avec un de ses congénères, ses vibrisses se rétractaient et le rat interrompait le contact social. Lorsqu’ils inhibaient ces neurones, les vibrisses se projetaient vers l’avant.

L’interprétation fournis par les chercheurs serait qu’il existe une nouvelle boucle de régulation du mouvement, qui mettrait en jeu des neurones inhibiteurs présents directement au sein du cortex moteur.

Il était de plus possible de moduler un comportement très élaboré simplement en modifiant l’activité du cortex moteur. Et non en modifiant l’activité d’aires cérébrales de haut niveau comme le cortex préfrontal !

Quelles sont les connections et les relations de ces neurones moteurs profonds avec les différentes aires cérébrales, l’étude ne le dit pas.

Est-ce que leur action résulte de l’inhibition d’une tendance innée à la projection des vibrisses vers l’avant ou résulte-t-elle d’une rétraction active ? Autrement dit, ces neurones moteurs profonds sont-ils la pédale de frein du cortex moteur ou ce dernier est-il constitué de 2 accélérateurs en sens inverse ?

D’autres études sont nécessaires pour répondre à ces questions !





A la recherche des neurones de la faim.


Alors que les fêtes se terminent tout juste, il est de bon ton de se pencher sur les mécanismes cérébraux  qui déclenchent ou freinent notre sensation de faim.

La prise d’un repas provoque une véritable avalanche hormonale dans notre corps : le pancréas sécrète de l’insuline pour absorber le sucre ingéré, l’estomac sécrète la ghreline et notre tissu adipeux la leptine, pour absorber tout le gras du sang dans ses cellules.

Les premières étapes de la digestion des aliments, au niveau de l’estomac, stimulent certains neurones présents dans sa paroi qui informent le tronc cérébral (une structure située à  l’interconnexion entre le cerveau et la moelle épinière) de l’avancée de la digestion. Les neurones du tronc cérébral qui reçoivent cette information, appelés CGRP, sont responsables de l’arrêt de la prise alimentaire à la fin d’un repas.



La stimulation artificielle de ces neurones chez la souris empêchera toute prise alimentaire, alors que leur inhibition augmentera la taille des repas.

Il existe un second système de régulation de la faim faisant intervenir l’hypothalamus, une région clé du cerveau dans la régulation de l’ensemble du fonctionnement de notre corps et en particulier de notre système hormonal.

Les hormones sécrétées par notre estomac, pancréas et tissu adipeux agissent sur l’hypothalamus pour réguler notre sensation de faim.

Il existe à ce niveau plusieurs types de neurones, dont les neurones ArGP, dont le rôle est opposé aux neurones CGRP : ils stimulent la sensation de faim et la prise alimentaire.




Si l’on stimule ces neurones chez la souris, celle-ci augmentera la taille de ses repas mais uniquement de manière modérée, et s’arrêtera de manger spontanément.

En revanche, si l’on inhibe dans le même temps les neurones CGRP, alors la souris mangera avec pour seule limitation la capacité de son estomac.

Les neurones CGRP seraient donc une sorte de ‘bouton off’ s’activant à la fin du repas, en réponse à l’activation des neurones ArGP qui eux, promeuvent la prise de nourriture.

D’autres types de neurones ont déjà été mis en évidence au niveau de l’hypothalamus, et notamment les neurones POMC qui semblent inhiber la prise alimentaire. Cependant, leur effet est très différent des neurones CGRP : leur inhibition artificielle chez la souris entraîne certes une obésité, mais leur activation n’a que peu d’effet sur le comportement alimentaire de la souris.

Le rôle de ces neurones résiderait donc dans la régulation à long terme du poids de l’animal plutôt que de son comportement alimentaire.

Nous ne savions alors pas s’il existait des neurones inhibant la prise alimentaire au niveau de l’hypothalamus.

Une équipe de scientifiques américains partirent donc à leur recherche.

Pariant sur le fait que le neurone cherché fonctionnait grâce à une substance spécifique, le glutamate, ils entreprirent de stimuler tous les neurones glutamatergiques de l’hypothalamus.

La prise alimentaire des souris fut réduite de moitié.

Les scientifiques tentèrent d’en savoir plus sur ces neurones, en séquençant leurs protéines (leur ARN messager, pour être plus précis) : ils s’aperçurent qu’ils exprimaient un récepteur très particulier, celui de l’ocytocine.

L’ocytocine est une hormone très puissante dont l’un des effets connu… est de couper l’appétit.

Ils nommèrent donc ces neurones Otxr.

Contrairement aux neurones POMC, les neurones Otxr ont une action rapide sur le comportement alimentaire. A la différence des neurones CGRP, qui induisent le signal STOP d’un repas, les neurones Otxr agissent plus précocement en inhibant la prise alimentaire.

Ainsi, la découverte des neurones Otxr (publiée ce mois-ci dans Nature Neuroscience) contribue à une meilleure compréhension des circuits neuronaux régulant la faim. La description de ce neurone apporte une nouvelle pierre angulaire à l’édifice : nous connaissions déjà les neurones initiant et stoppant la prise alimentaire ; nous connaissons désormais les neurones qui inhibent cette prise à la racine.



Sommes-nous si différents ?

Tout comme les empreintes digitales, nos cerveaux sont à la fois uniques mais très semblables l’un par rapport à l’autre : une image est traitée de la même manière au sein de nos aires visuelles, et pourtant les réseaux neuronaux qui sous-tendent cette analyse ne sont jamais les mêmes d’un individu à l’autre. Si ce phénomène est relativement bien connu au niveau des aires visuelles ou auditives par exemple, nous ne savons pas s'il s'applique aussi à notre mémoire...

Ainsi, 2 individus qui vivent le même évènement (dans l'étude en question : le même film) l’analyseront de manière semblable mais jamais totalement identique. Dans le cas où ces 2 individus mémorisent cet évènement, on peut penser que le rappel du souvenir correspondant accentuera fortement cette différence : il existe des millions de façons de raconter nos souvenirs, propres à chacun de nous. Chaque souvenir est une reproduction imparfaite de l'évènement vécu, où divers éléments se mêle à une trace mnésique partielle. 

 
Et pourtant…

Des chercheurs de la prestigieuse université de Princeton  firent regarder à des individus quelques scènes de l’excellente série Sherlock et enregistrèrent pendant ce temps-là, grâce à une IRM fonctionnelle,  le fonctionnement de leur cerveau.

Au cours du visionnage, les activations furent extrêmement proches entre les différents individus. On leur demanda ensuite, à la fin du visionnage, de raconter, avec leurs propres mots, l’une des scènes qu’ils venaient de voir. Pendant ce temps-là, les scientifiques enregistrèrent à nouveau le fonctionnement de leur cerveau.

Comme on peut s’y attendre, chacun décrivait la même scène avec des points de vue très différents, avec des mots différents, avec des détails différents…

Et pourtant l’activité de leur cerveau était encore une fois extrêmement proche. Malgré l’énorme diversité dans la façon de se souvenir de l’évènement, et de le raconter, le cerveau des différents individus réagissent de manière étrangement semblable. Tellement semblable qu’il était possible de déterminer, pour un individu donné, quelle scène il racontait simplement en analysant son activité cérébrale (le taux de réussite étant significativement meilleur que la chance).

Mais ce n’est pas tout.

Il y a 2 façons d’aborder le phénomène de vécu-mémorisation-rappel.

On peut penser que l’étape de rappel ne correspond qu’au processus inverse de la mémorisation : d’un côté on stocke la perception, de l’autre on la sort de sa boîte. Dans ce cas-là, en prenant en compte ce que nous venons de dire, les activations cérébrales correspondantes à ces processus devraient être relativement identiques d’un individu à l’autre : on observerait à chaque fois les mêmes activations cérébrales, pour la perception comme pour le rappel, chez l’individu 1 comme chez l’individu 2.

Mais l’on peut aussi penser que l’étape de mémorisation fait intervenir des processus qui transforment activement l’expérience vécue en souvenir, alors que le rappel de celui-ci correspond à une ‘lecture’ de la trace mnésique. Dans ce cas-là, le pattern d’activation correspondant au rappel du souvenir d’un même évènement de 2 individus serait plus proche que le pattern d’activations correspondant au vécu de l’évènement et au rappel de celui-ci au sein d’un même individu –car le rappel intervient après le processus de transformation et de formation du souvenir.

Et c’est exactement ce que mirent en évidence les chercheurs américains. La ressemblance observée entre le rappel du même souvenir par 2 individus est plus grande que la différence entre le vécu de l’évènement et son rappel au sein d’un même individu !

Et cette transformation du vécu en souvenir se fait de manière très similaire entre 2 individus. Les perceptions concrètes et très différentes que chacun éprouve sont stockées en mémoire sous une forme beaucoup plus abstraite et semblable d'un individu à l'autre

Malgré le ressenti unique et personnel que nous pouvons tous avoir d’un même évènement, notre cerveau le stocke en mémoire de manière incroyablement similaire.

Au final, sommes-nous si différents les uns des autres ?





Sources :

- Kim, J., & Hires, S. A. (2017). Brake and gas pedals in motor cortex. Nature Neuroscience, 20(1), 4-6.
- Ebbesen, C. L., Doron, G., Lenschow, C., & Brecht, M. (2017). Vibrissa motor cortex activity suppresses contralateral whisking behavior. Nature Neuroscience, 20(1), 82-89.
- Palmiter, R. D. (2017). Fast-acting neurons that suppress appetite. Nature Neuroscience, 20(1), 2-4.
- Patai, E. Z., & Spiers, H. J. (2017). Cracking the mnemonic code. Nature Neuroscience, 20(1), 8-9.
- Chen, J., Leong, Y. C., Honey, C. J., Yong, C. H., Norman, K. A., & Hasson, U. (2017). Shared memories reveal shared structure in neural activity across individuals. Nature Neuroscience, 20(1), 115-125.