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.