RTFlash n°1013 : Le cerveau n’en finit de r évéler sa prodigieuse complexité

Chers lecteurs,

Comme chaque année, notre petite équipe se met au vert et prend un peu de repos pendant le mois d'août. Je tiens à vous remercier chaleureusement pour votre soutien et votre fidélité à notre lettre, depuis maintenant plus de 20 ans.

Vous retrouverez RTFlash le vendredi 6 septembre, pour son numéro de rentrée. D'ici là, nous vous souhaitons d'excellentes vacances, pleines de lectures scientifiques passionnantes...

Bien cordialement

René Trégouët

Directeur de publication

Cette semaine, je reviens une nouvelle fois sur une question scientifique que nous abordons régulièrement dans notre lettre, mais dont l’intérêt et la richesse semblent inépuisables : la connaissance du cerveau humain.

Rappelons-le, le cerveau humain est considéré par la communauté scientifique comme l’objet le plus complexe de l’univers. Cet organe, bien qu’il pèse à peine 1,5 kg, ne contient pas moins de 100 milliards de neurones (et quatre fois plus de cellules gliales) reliés entre eux par des millions de kilomètres d’axones (longs prolongements des neurones) et un million de milliards de synapses. Dans un seul millimètre cube de cerveau, on trouve pas moins de 100 000 neurones, 4 kilomètres d’axones et 1 mètre de capillaires sanguins !

Depuis une trentaine d’années, des pas de géants ont été accomplis dans la connaissance du fonctionnement de notre cerveau, notamment grâce à l’utilisation massive de nouveaux outils d’imagerie (imagerie par résonance magnétique, tomographie par émission de positons, magnétoencéphalographie, microscopie confocale…) qui ont permis d’étudier le cerveau à diverses échelles spatiales et temporelles, de la cellule unique au réseau neuronal, de quelques millisecondes à plusieurs décennies.

On commence enfin à mieux comprendre comment le cerveau perçoit et interprète le monde, et comment il ne cesse de se reconfigurer tout au long de la vie, faisant preuve d’une plasticité qui semble sans limite. On sait également à présent que la variabilité du fonctionnement des neurones et des synapses est liée à l’expression différente de nombreux gènes, qui commencent à être identifiés. Il est également établi que la reconfiguration permanente du cerveau se manifeste à tous les niveaux de son organisation, de la synapse au cortex entier. Les mécanismes par lesquels nous mémorisons, indexons et stockons les nombreuses informations que nous avons à traiter en permanence sont également mieux compris. Loin de fonctionner comme une bibliothèque, avec ses livres rangés de façon statique, notre cer veau apprend et mémorise sur un mode essentiellement dynamique, en construisant sans cesse de nouvelles connexions synaptiques et en établissant de nouveaux circuits de neurones.

Depuis quelques mois, plusieurs découvertes scientifiques majeures sont venues élargir et enrichir notre connaissance encore bien fragmentaire du cerveau humain. La première concerne un vieux débat : le cerveau humain fabrique-t-il ou non de nouveaux neurones tout au long de sa vie ? L’idée que le cerveau humain adulte ne produit plus de nouveaux neurones a été émise par le célèbre scientifique catalan Santiago Ramon y Cajal, découvreur du neurone et Nobel de physiologie et de médecine en 1906. Mais ce vieux dogme de biologie a été invalidé en 2000, quand l’équipe américaine de Peter Eriksson et Fred Gage a découvert que des nouveaux neurones étaient générés dans le gyrus denté jusqu’à 72 ans.

Depuis, de nouvelles études contradictoires ont été publiées, les unes confirmant cette théorie, les autres établissant au contraire que la neurogenèse se poursuit jusqu’à un âge avancé. L’année dernière, de nouveaux travaux américains dirigés par Arturo Alvarez Buylla (Université de Californie San Francisco) et publiés dans la revue Nature arrivaient à la conclusion que la fabrication de nouveaux neurones par le cerveau humain culminait pendant l’enfance, avant de chuter une fois adulte.

C’est dans ce contexte que l’étude publiée le 25 mars dernier dans la revue « Nature » prend toute son importance. Dans ces recherches menées par l’équipe de María Llorens-Martín, du centre de biologie moléculaire Ochoa de Madrid, les scientifiques ont voulu analyser de manière très complète les tissus cérébraux de 13 personnes décédées, âgées de 43 à 87 ans, qui étaient toutes en bonne santé neurologique au moment de leur mort. Ils ont découvert que si leur cerveau contenait bien de nouveaux neurones, le nombre de ces cellules cérébrales diminuait progressivement avec l’âge. Ainsi, entre 40 et 70 ans, le nombre de neurones « neufs » détectés dans l’hippocampe passe de 40 000 à 30 000 par millimètre cube. Se lon ces travaux, il semblerait donc que notre cerveau soit bien en mesure de produire tout au long de la vie de nouveaux neurones, même si cette capacité semble s’amenuiser avec l’âge.

Cette réduction progressive du nombre de nouvelles cellules cérébrales semble également être associée au déclin cognitif qui accompagne souvent (mais pas toujours) le vieillissement (Voir Nature). La même équipe a en effet analysé également les cerveaux de 45 personnes âgées de 52 à 97 ans, chez qui on avait diagnostiqué la maladie d’Alzheimer avant leur décès. Ces chercheurs ont pu observer que le cerveau de tous les sujets présentait bien de nouvelles cellules cérébrales, y compris pour les sujets les plus âgés. Mais l’observation la plus intéressante réalisée par ces scientifiques est que la neurogenèse était très différente chez les personnes saines et chez les sujets atteints d’Alzheimer. En effet, chez ces derniers, même chez ceux qui en étaient au tout début de la maladie (et ne manifestaient encore aucun symptôme), la production de nouveaux neurones était réduite de plus d’un tiers, par rapport aux sujets en bonne santé cérébrale. "Cette découverte est très importante car elle montre de façon solide que le nombre de cellules que vous détectez chez des sujets sains est toujours supérieur au nombre détecté chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, quel que soit leur âge", explique le Professeur Llorens-Martín. Cette découverte suggère qu'un mécanisme indépendant, différent du vieillissement physiologique, pourrait entraîner ce nombre décroissant de nouveaux neurones.

Il y a quelques semaines, en Mai, une équipe française de l’Inserm, dirigée par Christophe Bernard, a, pour sa part décrit pour la première fois le comportement et le langage des neurones qui assurent la consolidation de la mémoire pendant le sommeil. Ces chercheurs ont eu la surprise de constater que le rôle des neurones varie rapidement dans le temps et que les itinéraires empruntés par les informations changeaient sans cesse. Ces chercheurs ont utilisé des électrodes afin de pouvoir enregistrer l’activité électrique d’une centaine de neurones concentrés dans une région donnée. Trois zones connues pour être impliquées dans la mémoire ont été enregistrées chez des rats pendant leur sommeil : l’hippocampe, le cortex préfrontal et le cortex entorhinal.

Comme le souligne Christophe Bernard, « D’après la régularité des ondes dans l’encéphalogramme, nous imaginions que les neurones fonctionnaient selon un schéma bien précis et répétitif pour transmettre les informations ou les stocker. Or les enregistrements montrent qu’il n’en est rien ». Ces scientifiques ont en effet montré que des ensembles de neurones sont capables de s’interconnecter très rapidement pour stocker et transmettre de l’information, et se relaient en permanence. Autre découverte, au sein de chacun de ces ensembles, seuls quelques neurones jouent un rôle prépondérant. « Nos travaux ont montré qu’il ne semble pas y avoir de hiérarchie établie au sein des neurones, mais plutôt une répartition équilibrée des rôles &raq uo;, explique Christophe Bernard.

Une autre découverte majeure réalisée par cette équipe est que l’information ne suit pas toujours le même chemin. « Nous avons été très surpris de constater que, contrairement à ce que nous pensions, le transfert de l’information ne suivait pas un trajet fixe, mais empruntait des itinéraires qui se modifiaient en permanence, de manière à optimiser la capacité du réseau à acheminer l’information, exactement comme sur l’Internet », souligne Christophe Bernard. Enfin, ces travaux ont permis de montrer qu’il existait un véritable « langage » des neurones avec des « mots », correspondant à des sous états, et des « phrases », correspondant à des séquences de sous-états. Le sens profond de ce langage &ea cute;chappe pour l’instant aux chercheurs mais il est clair qu’il permet, grâce à sa complexité, d’optimiser le traitement de l’information.

En Juin, c’est un autre dogme solide des neurosciences qui a été sérieusement ébranlé par une étude américaine. Des chercheurs de l’Université Yale ont en effet montré que, contrairement à la théorie dominante qui voulait que le centre de la prise de décision se situe dans le cortex frontal de notre cerveau, le siège de la pensée supérieure, il y aurait en fait trois circuits cérébraux distincts se connectant à différentes régions du cerveau, l'amygdale ou les noyaux accumbens, et qui semblent impliqués dans la prise de décisions et la mémorisation de ces décisions.

Pour arriver à cette conclusion, les chercheurs ont étudié les cerveaux de rats alors qu'ils avaient des choix à faire entre des actions menant ou non à des récompenses. Ils ont observé qu'un circuit « bon choix » est activé lorsque l'action conduit à une récompense. Un autre circuit, le circuit « mauvais choix », est activé lorsque l'action ne conduit pas à une récompense. Et un troisième circuit, le circuit « mémoire », permet de prendre des décisions telles que de refaire une action ayant plusieurs fois conduit à une récompense, même si cela n'a pas été le cas au cours de la dernière action. Ces chercheurs forment l'hypothèse que des altérations de ces circuits pourraient expliquer pourquoi certaines personnes continuent à faire de mauv ais choix, même après une succession d'expériences négatives.

Une autre découverte très intéressante réalisée récemment concerne les différences fondamentales qui existent entre le fonctionnement de notre cerveau et celui de nos cousins les primates, en dépit d’une structure biologique extrêmement proche (Voir Nature). On le sait, notre cerveau est également le fruit d’une longue et passionnante évolution, qui a sans doute commencé il y a plus de sept millions d’années, quand sont apparus les premier Hominiens, distincts des primates. D’après une étude parue il y a deux mois, la façon dont le cerveau humain et celui des macaques reçoit le son diffère fondamentalement. Selon cette étude, au fil de l’évolution, notre cerveau aurait évolué pour finalement préf&eacu te;rer la musique et la parole au bruit, contrairement à celui du singe, incapable de faire la différence.

Pour en arriver à cette conclusion, les chercheurs ont travaillé avec trois macaques rhésus et quatre humains. Ils leur ont fait écouter des tons harmoniques et des bruits comportant cinq gammes de fréquences différentes. A l’aide d’images d’IRM, ils ont mesuré les réponses cérébrales et montré que, bien que ce soit les mêmes parties du cortex auditif qui sont activées chez les deux espèces, les cerveaux humains étaient bien plus sensibles aux "pics" dans les tons harmoniques que les animaux, qui ne semblaient pas les distinguer du bruit normal. Or, ces fréquences harmoniques faites de "pics" ou "hauteurs tonales" sont précisément les éléments spécifiques qui caractérisent la parole et la musique, explique l’étude. Ces résultats laissent donc penser que ces sons, qui font partie de la mus ique et de la parole, pourraient avoir puissamment contribué à la structuration du cerveau humain.

Une précédente étude comparative avait déjà montré des différences fondamentales de perception auditive entre l’homme et le singe. Les chercheurs avaient ainsi pu observer que le cortex préfrontal ventrolatéral n'est pas relié de la même manière aux zones cérébrales impliquées dans l'audition chez les animaux. Selon cette étude, cette différence expliquerait pourquoi les macaques ont beaucoup de difficultés à passer certains tests d’audition. Ces découvertes confortent également l’hypothèse selon laquelle l’homme a progressivement développé la capacité d’utiliser ce qu’il entendait pour réaliser des fonctions cognitives intellectuelles complexes, ce que les macaques semblent incapables de faire.

La dimension sociale et relationnelle du cerveau, qui s’est développée à un niveau unique chez notre espèce, fait également l’objet de nombreuses recherches. Il est établi depuis longtemps que, sans que nous en ayons conscience, lorsque nous avons un échange de conversation avec quelqu’un, nous lui envoyons des signaux à travers nos gestes, nos intonations, notre posture corporelle. Nous avons également tous ressenti que, dans certains échanges, nous avions le sentiment d’être parfaitement en phase avec notre interlocuteur, sur la "même longueur d'onde", comme le dit l'expression populaire. Cette impression profonde n’est pas illusoire et repose sur des fondements neurobiologiques bien réels, comme le rôle des fameux « neurones miroirs ». Au fil de l’évolution, il semble que l’homme ait développé, pour o btenir un avantage compétitif décisif dans un environnement hostile, cette extraordinaire capacité d’ajuster, de synchroniser ses émotions et ses réactions physiologiques sur celles de ses interlocuteurs.

L’équipe américaine de Greg Stephens, de l’Université de Princeton, a réussi à montrer qu’au cours d’une conversation en situation naturelle, l’activité cérébrale de l’auditeur se synchronise spatialement et temporellement avec celle du locuteur. Les mêmes chercheurs ont également montré que, comme nous en avons tous fait l’expérience dans certaines situations, l’activité cérébrale de l’auditeur est parfois légèrement en avance sur celle du locuteur, comme si la personne qui écoutait quelqu’un parler était capable d’anticiper ce qui va être dit !

Récemment, en utilisant la technique d’hyperscanning, qui consiste à enregistrer simultanément l’activité de deux cerveaux en interaction, une équipe de recherche de l’Université d’Aachen, en Allemagne, a étudié comment les cerveaux de parents et d’enfants âgés de 5 à 9 ans se synchronisent au cours d’un jeu. Les enfants devaient soit jouer avec un adulte de manière coopérante, soit jouer contre l’adulte de manière compétitive, et cet adulte pouvait être leur parent ou un étranger. Les résultats montrent clairement un couplage de l’activité cérébrale au niveau de l’activité préfrontale qui apparaît à la condition que l’enfant coopère avec l’un de ses parents. Ces expériences ont en revanche montré qu’un tel couplage n 217;était pas observé lorsque l’enfant interagit avec son parent dans une situation de compétition ou avec un adulte étranger.

Evoquons enfin, pour terminer ce rapide tour d’horizon des avancées en matière de neurosciences, une étude publiée il y a quelques semaines, intitulée « Comment l’Internet modifie le fonctionnement de notre cerveau » (Voir Wiley). Cette étude réalisée par des chercheurs britanniques, australiens, américains et belges montre que, contre toute attente, savoir faire plusieurs choses à la fois (le "multitasking" en anglais) sur Internet ne signifie pas savoir faire plusieurs choses à la fois dans la vie réelle. Il semble contraire que le multitasking digital pousse plutôt à être attentif à de nouvelles distractions.

Les chercheurs soulignent que le flux permanent d’informations numériques qui nous traversent a tendance à fragmenter notre attention et à réduire notre capacité d’attention à une seule et unique tâche. Selon les résultats de cette étude, le cerveau semble considérer les interactions sociales virtuelles de la même façon que les interactions sociales réelles. Cette réalité peut être bénéfique pour les populations plus âgées, qui parfois font face à des problématiques d’isolement. En revanche, cette étude souligne que les sujets plus jeunes semblent beaucoup plus sensibles aux conséquences découlant des interactions sociales en ligne, notamment le regard de leurs semblables. Cependant, les auteurs de l’étude notent que les réseaux sociaux peuvent aussi être util isés, dans certaines situations, comme des formes de thérapie pour les jeunes souffrant de troubles psychologiques ou psychiatriques. « Les résultats de cette étude montrent à quel point nous avons à apprendre de l’impact du monde digital sur notre santé mentale et cérébrale », explique le Docteur. John Torous, co-auteur de l’étude et chercheur à Harvard.

Au-delà de leur grande diversité, il est frappant de constater à quel point l’ensemble des études et travaux que je viens d’évoquer convergent pour confirmer que la prodigieuse complexité et l’extraordinaire plasticité de notre cerveau ne peuvent plus aujourd’hui être appréhendées hors des dimensions sociales, relationnelles, affectives, historiques, qui caractérisent notre espèce humaine.

Inséparable de notre corps, de nos affects, de notre existence singulière, de notre environnement socioculturel et de la longue et foisonnante évolution de notre espèce, notre cerveau apparaît plus que jamais comme une fabuleuse machine à interpréter et reconstruire le monde, et à lui donner un sens cohérent, tant au niveau individuel que social. Le paradigme biologique trouve ici ses limites et les grandes avancées dans la connaissance de notre cerveau ne peuvent se faire qu’en ayant toujours à l’esprit la nature anthropologique, philosophique et symbolique de toute connaissance, mais aussi de toute action, comme l’ont magistralement montré des penseurs tels que le regretté Michel Serres, ou encore Edgar Morin.

Gageons que ce siècle sera riche d’extraordinaires avancées dans la compréhension de notre cerveau mais ne parviendra pas à épuiser son infinie richesse, ni à dissiper ses mystères insondables.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com