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Anatomie du corps humain

Coupe sagittale du cerveau humain par IRM et colorisée. Document Wellcome collection.

Le système nerveux (II)

Étant donné son rôle clé et en particulier celui du cerveau, on ne sera pas étonné que la description du système nerveux, de ses performances et ses déficiences occupent trois à quatre fois plus d'espace que les autres descriptifs. Mais nous verrons qu'il reste tellement d'inconnues qu'il mériterait quelques pages supplémentaires.

Rappel historique

Les premières études du système nerveux et en particulier de l'anatomie du cerveau remontent aux travaux des médecins et anatomistse grecs Hérophile de Chalcédoine (c.330-250 avant notre ère) et Érasistrate (c.300-240 avant notre ère) de l'école d'Alexandrie. Ils décrivirent les hémisphères cérébraux, leurs cavités ou ventricules ainsi que les circonvolutions qui tapissent sa surface. Hérophile fit une distinction entre les nerfs et les vaisseaux sanguins et montra que les premiers sont issus du cerveau et de la moelle épinière.

On avait déjà découvert dans l'Antiquité l'existence des nerfs associés aux mouvements et aux sensations. Alors qu'Hippocrate (460-377 avant notre ère) et Aristote (384-322 avant notre ère) pensaient que le coeur était le siège de la pensée et des actions, au IIIe siècle avant notre ère, les érudits proposèrent que le cortex était le siège de l'intelligence. Mais il faudra attendre les études de l'anatomiste et médecin belge André Vésale (1514-1564) pour comprendre l'anatomie du cerveau et encore quelques siècles pour que les savants européens reprennent et dépassent les idées de l'école d'Alexandrie. Ce n'est qu'avec l'invention du microscope et de la coloration argentique au XIXe siècle que les neuroanatomistes découvrent les neurones et leur rôle essentiel dans le système nerveux.

En revanche, la compréhension du fonctionnement du cerveau fut plus lente et se développa surtout à partir du XVIIIe siècle grâce aux études physiologiques du médecin et physicien italien Luigi Galvani (1737-1798) et des physiologistes allemands Emil Du Bois-Reymond (1818-1896) et Hermann von Helmholtz (1821-1894). Ensuite, c'est en étudiant les effets des drogues sur les neurones que le physiologiste français Claude Bernard (1813-1878) posa les bases du concept de la neurotransmission. Enfin, l'invention de la radiographie et de l'informatique combinées aux scanners et à l'imagerie médicale ont permis de faire progresser les neurosciences à grands pas même s'il reste encore beaucoup de mystères à résoudre.

Description

Beaucoup de rumeurs et d'idées fausses (cf. les résultats de ce sondage réalisé par Suzana Herculano-Houzel en 2002) ont été propagées à propos du cerveau et les chiffres les plus extravaguants continuent d'être publiés par des journalistes et des amateurs mal informés au point que Suzana Herculano-Houzel de l'Université de Rio de Janeiro s'est sentie obligée de rétablir la vérité sur ce sujet dans un passionnant article publié en 2009 dans la revue "Frontiers in Human Neuroscience" consacré au cerveau et à tous les clichés qui l'entourent. Nous y ferons plusieurs fois référence ainsi qu'aux travaux de ses collègues.

Le système nerveux est constitué d'un ensemble complexe de nerfs et de cellules spécialisées, les neurones, qui transmettent l'influx nerveux entre les différentes parties du corps et le cerveau. Soumis à une certaine tension et transmettant des signaux électriques, il représente en quelque sorte le câblage électrique du corps. Mais la comparaison s'arrête là car sa complexité va bien au-delà de cette analogie.

Structurellement, le système nerveux comprend deux parties : le système nerveux central et le système nerveux périphérique. Le système nerveux central est composé du cerveau, de la moelle épinière et des nerfs. Le système nerveux périphérique comprend des neurones sensoriels, des ganglions (groupes de neurones) et des nerfs qui sont interconnectés et reliés au système nerveux central.

A voir : Anatomie de l'encéphale en IRM, IMAIOS

A gauche, l'anatomie fonctionnelle du cerveau sous différents angles et en coupe sagittale. A droite, un scanner du cerveau par IRM et la photo sans légende. Voici une autre image IRM colorisée par l'auteur. Documents Peason Education et anonyme.

Fonctionnellement, le système nerveux se divise en deux principales composantes : la composante somatique ou volontaire et la composante autonome ou involontaire. Le système nerveux autonome régule certains processus du corps tels que la pression artérielle et la vitesse de la respiration qui fonctionnent sans effort conscient. Le système somatique se compose de nerfs qui relient le cerveau et la moelle épinière aux muscles et aux récepteurs sensoriels cutanés.

On parle parfois de "cortex" pour évoquer le cerveau. En fait, le mot approprié est encéphale. Le mot cortex signifie "enveloppe" ou "écorce" en latin. Le cortex cérébral correspond à la substance grise périphérique qui enveloppe les hémisphères cérébraux. C'est l'ensemble de la structure qui présente les fameuses circonvolutions. Il comprend l'archicortex, le paléocortex et néocortex et est segmenté en plusieurs lobes selon leur localisation (frontal, pariétal, temporal et occipital) ainsi qu'en différentes aires (motrices, sensorielles, d'association, etc) définies par leur nombre de couches, le type de neurones et leur fonction.

Jusqu'en 2009 il n'existait pas d'estimation directe du nombre de cellules ou de neurones dans le corps humain, raison pour laquelle les nombres les plus farfelus furent publiés dans la presse (comme par exemple que le cerveau contenait entre 100 et 300 milliards de neurones et 10 fois plus de cellules gliales).

Le cerveau humain ou encéphale pèse en moyenne 1500 g chez l'adulte et représente environ 2% du poids du corps. Dans un article publié en 2009 dans le "Journal of Comparative Neurology", Frederico A. Azevedo aujourd'hui à l'Institut Max Planck et ses collègues ont déterminé que le cerveau contient 86 milliards de neurones et 85 milliards de cellules non neuronales, les écarts étant respectivement de 7 et 24%. Le cortex cérébral pèse en moyenne 1233 g, il représente 82% de la masse cérébrale et contient 16 milliards de neurones soit seulement 19% des neurones du cerveau. Selon Azevedo, on observe la même proportion chez d'autres vertébrés dont plusieurs espèces de primates, chez les rongeurs et même chez les insectivores.

 Il y a en moyenne 1000 synapses ou connexions neuronales par neurone bien que certains neurones n'établissent qu'une seule connexion. Il peut y avoir jusqu'à 25000 synapes par neurone soit un total de 25000 milliards de synapses. Le cerveau de personnes hautement créatives présente plus de connexions entre trois régions spécifiques du cerveau que les personnes moins créatives et ces trois régions sont activées en même temps.

A gauche, neurones (vert) et cellules gliales (rouge) dans l'hippocampe (il est situé dans la partie médiane du lobe temporal et intervient dans la mémoire et l'orientation spatiales). Au centre, schéma d'un neurone. A droite, le système nerveux. Documents Paul de Koninck/CERVO/U.Laval, dessin adapté de Wikimedia et Fotosearch.

L'encéphale comprend également le cervelet ou "petit cerveau" situé à l'arrière, sous le lobe occipital. Le cervelet pèse environ 154 g et représente environ 10% du volume ainsi que de la masse totale de l'encéphale mais comprend 50% de ses neurones (69 milliards). Il assure la régulation des fonctions motrices (coordination des mouvements et l'équilibre), il participe dans une moindre mesure aux fonctions cognitives du langage et émotionnelles (peur, plaisir, etc). Mais à part certains actes réflexes innés issus de notre héritage ancestral, il n'agit pas seul ni de manière autonome car il est sous le contrôle de fonctions cognitives supérieures émanant du cortex cérébral.

Enfin, l'encéphale comprend le tronc cérébral qui comprend le mésencéphale, le pont et le bulbe rachidien ou moelle allongée qui relie le cerveau à la moelle épinière qui assure la liaison nerveuse avec les autres parties du corps.

La substance grise est le lieu des opérations mentales et du stockage des informations. Elle est composée de milliards de corps cellulaires neuronaux, c'est-à-dire les régions des neurones qui intègrent les informations. En dessous se trouve la substance blanche. Chez l'homme, elle remplit près de la moitié du cerveau, une proportion beaucoup plus élevée que chez les autres animaux. La substance blanche est restée longtemps méconnue. Or c'est grâce aux milliards d'axones assurant le transfert des influx nerveux que les neurones transmettent les informations d'une région du cerveau à une autre. 

Les axones sont entourés de myéline, un substance grasse et blanche dont on a longtemps cru qu'elle jouait simplement un rôle d'isolant. On sait aujourd'hui que l'influx nerveux se propage 100 fois plus vite le long des axones quand ils sont enveloppés de myéline qui peut comprendre de 10 à 100 feuillets concentriques autour de chaque axone. Ce nombre varie selon le diamètre de l'axone et obéit au rapport de 0.6. On ignore comment l'organisme sait qu'il doit avoir un certain nombre de couches isolantes en fonction du diamètre de l'axone.

Illustrations d'une synapse au niveau de la fente synaptique séparant deux neurones lors de la libération de neurotransmetteurs (sérotonine ou dopamine). Documents Dreamstime adapté par l'auteur et Sebastian Kaulitzki/Shutterstock.

Le système nerveux central communique avec son système périphérique ainsi qu'avec les organes et les membres grâce à la moelle épinière. Elle mesure entre 42 à 45 cm, inférieure à la longueur du canal vertébral qui la contient. Sa partie supérieure ou rostrale affleure au niveau du trou occipital du crâne qui marque la limite avec le bulbe rachidien. Au niveau de la première vertèbre lombaire, le diamètre de la moelle épinière diminue rapidement, formant un cône terminal dont l'extrémité inférieure appelée caudale se situe à peu près au niveau de la deuxième vertèbre lombaire. Toutefois, la moelle épinière reste attachée au canal vertébral par un filament très mince appelé le filum terminale qui ne contient plus aucun éléments nerveux mais est entouré d'une partie des enveloppes méningées. D'apparence interne continue, en réalité la moelle épinière est segmentée (métamérisée), possédant autant de segments qu'il y a de paires de racines motrices ou sensitives, soit 31 chez l'être humain (contre 500 chez les serpents).

 Transmission synaptique de l'influx nerveux entre l'organe sensoriel (par ex. les récepteurs cutanés) et l'organe effecteur (muscle ou glande). Doc Larousse.

Les neurones sensoriels réagissent aux stimuli physiques tels que la lumière, le son et le toucher et envoient des informations au système nerveux central sur l'environnement du corps. L'activité des muscles ou des glandes est assurée par les motoneurones situés dans le système nerveux central ou dans les ganglions périphériques.

Le processus de communication qui assure la transmission d'un signal bioélectrique entre un nerf situé dans un organe sensoriel (par exemple à la surface de la peau) et le cerveau est appelé influx nerveux et ne prend généralement qu'une fraction de milliseconde. Lors de la contraction d'un muscle, les signaux voyagent le long d'un motoneurone alpha dans la moelle épinière à la vitesse de 431 km/h; c'est la transmission la plus rapide dans le corps humain et elle semble relativement stable au cours de l'évolution.

Les nerfs sont des faisceaux cylindriques de fibres qui partent du cerveau et de la moelle épinière et se ramifient vers toutes les autres parties du corps. Les neurones envoient des signaux à d'autres cellules à travers des fibres minces appelées axones qui provoquent la libération de substances chimiques appelées les neurotransmetteurs par les extrémités des dendrites nerveuses appelées synapses.

Les cellules gliales, dérivées du mot grec signifiant "colle" sont des cellules spécialisées qui soutiennent, protègent ou nourrissent les cellules nerveuses. Selon l'équipe d'Azevedo précitée, les cellules gliales représentent tout au plus 50% des cellules cérébrales soit pas plus de 85 milliards de cellules gliales. Dans un article publié en 2016 dans le "Journal of Comparative Neurology", l'équipe de Christopher S. von Bartheld de l'Université du Névada estima le rapport entre cellules gliales et neurones inférieur à 1:1 avec un nombre oscillant entre 40-130 milliards de cellules gliales.

Les connexions et la capacité de réflexion du cerveau se sont développées au cours de centaines de milliers d'années d'évolution. On retrouve par exemple les traces de virus ancestraux dans le génome des animaux à quatre membres dont l'être humain. Le code génétique de ces virus assure la transmission de l'information entre cellules nerveuses et participent également à la mémorisation parmi d'autres fonctions aujourd'hui essentielles à la survie des humains.

Le système nerveux entérique

Le cerveau n'est pas le seul organe à contenir des neurones. Il existe également ce qu'on appelle le système nerveux entérique ou périphérique. Il s'agit d'un réseau nerveux autonome mais qui communique avec le système nerveux central grâce à ses propres circuits neuronaux. On le retrouve dans la paroi intestinale (~500 millions de neurones soit autant que dans le cortex d'un macaque rhésus) où il est surnommé le "cerveau du ventre" et dans le coeur (~40000 neurones) où il est surnommé le "petit cerveau du coeur" et vient renforcer l'expression de Blaise Pascal "le coeur à ses raisons que la raison ne connaît pas". Le rôle de l'un et de l'autre sont encore sous-estimés mais nous savons qu'il est important pour l'état général de notre santé.

A voir : Le cerveau du coeur - Le cerveau du ventre

Contrairement à son surnom, le "cerveau du ventre" enveloppe tout le système digestif et pas seulement les intestins. Il contrôle et régule l'activité du tractus gastro-intestinal par ce que consciemment on considère comme étant des actes réflexes. Il se compose de deux principaux centres nerveux, le plexus ganglionnaire situé tout le long du tube digestif et contrôle la motricité, et le plexus myentérique ou plexus d'Auerbach qui contrôle les sécrétions. L'ensemble agit par exemple sur la contraction synchronisée des muscles lisses pour assurer le transit du bol alimentaire (cf. N.J.Spencer et al., 2018), le contrôle des vomissements ou sur le taux des sécrétions et ce, indépendamment du système nerveux central. Il existe un troisième centre nerveux dans la muqueuse intestinale appelé le plexus d'Isawa mais dont on ignore le rôle.

Le "cerveau du ventre" produit plus de 30 neurotransmetteurs dont l'acétylcholine, la dopamine et la sérotonine. Plus de 90% de la sérotonine produite réside dans l'intestin ainsi qu'environ 50% de la dopamine.

Ce système est également présent chez d'autres animaux comme les souris où il peut plus facilement être étudié. On reviendra sur ce sujet à propos du système digestif.

La nature des yeux

Si les yeux sont des organes sensoriels, ils sont en fait une extension spécialisée du cerveau. En effet, les signaux lumineux du monde extérieur sont convertis en signaux électriques au niveau de la rétine puis sont transmis via le nerf optique et le tractus optique dans la région du corps genouillé latéral situé près de l'hypothalamus (au centre du cortex) puis acheminés par le réseau de radiations optiques vers l'aire spécialisée de la vision située à l'arrière du cerveau, dans le cortex visuel où l'information est traitée.

A voir : Reconstruction d'images naturelles par fIRM, KamitaniLab, 2017

Reconstruction d'images géométriques par fIRM, KamitaniLab, 2017

Movie reconstruction from human brain activity - fIRM, 2011

A gauche, les différentes voies optiques (consciente via les radiations optiques, circadienne via l'hypothalamus et photomotrice via le colliculum supérieur). A droite, structure de la rétine entre l'humeur aqueuse (en bas et non visible) et l'épithélium pigmentaire situé juste avant la choroïde. Les cônes et les bâtonnets sont photosensibles et situés sur la partie postérieure de la rétine. La lumière va de bas en haut. Les cellules doivent donc être transparentes. L'influx nerveux se propage de haut en bas, jusque qu'aux fibres nerveuses qui rejoignent le nerf optique. Documents Paul de Koninck/CERVO/U.Laval et Helga Kolb adapté par l'auteur.

Aujourd'hui, grâce à des techniques d'imagerie RMI très élaborées, il est possible de visualiser l'image du monde que le cerveau reconstruit. Comme on le voit dans les vidéos ci-dessous, si l'image est encore floue et peu détaillée, globalement on reconnaît la couleur et la forme de l'objet que l'individu regarde. Dans le futur, on pourra peut-être reproduire l'image de ce que nous avons mémorisé.

L'intelligence

Qu'est ce que l'intelligence ? C'est la faculté de comprendre, de s'adapter, de connaître, de mémoriser et l'ensemble des fonctions cognitives et motrices qui l'accompagne. En Occident on a tendance voire on oppose l'intelligence rationnelle à l'intuition et aux sensations par nature subjectives. Mais certains évènements nous ont démontré que tout ne s'explique pas par la déduction et la méthode scientifique. Il existe des phénomènes physiques totalement incompréhensibles avec lesquels il faut bien composer comme les paradoxes de la physique quantique, certains phénomènes paranormaux, les maladies psychosomatiques ou les grandes questions métaphysiques. A l'évidence soit nous n'avons pas toutes les données pour les comprendre soit nous sommes tous des imbéciles et n'avons pas la faculté de les comprendre. Pour nous rassurer, disons qu'en être conscient est déjà un signe d'intelligence !

Il existe plusieurs formes d'intelligence : logico-mathématique, spatiale et visuelle, verbale, linguistique, musicale, corporelle, etc. On connaît des scientifiques très doués pour les maths mais qui sont très maladroits quand ils doivent s'exprimer oralement ou bricoler. D'autres sont des génies en physique et sont également musiciens mais peu doués pour les maths. D'autres personnes mémorisent facilement leur environnement et n'ont pas besoin de cartes. D'autres reproduisent la mélodie d'une chanson au premier son et quelques rares personnes sont capables d'apprendre une langue difficile en un mois. Selon le cas, on les appelle des génies, des surdoués, des autistes Asperger ou tout simplement des personnes très intelligentes.

S'il fallait encore le souligner, nous verrons plus bas que le volume du cerveau n'a rien à voir avec l'intelligence. Et pour caricaturer la situation rappelons que les enfants surdoués sont bien plus intelligents que la plupart des adultes ! On y reviendra.

On qualifie une personne de génie ou surdouée à partir d'un QI de 130. D'ailleurs cette personne révélera ses talents dès 3-4 ans et il arrive qu'un génie se retrouve sur les bancs de l'université à 12 ou 15 ans. En 2018, Laurent, un enfant surdoué vivant en Belgique ayant un QI de 145 a même obtenu son bac à 8 ans !

En 2018, les résultats d'une étude génétique conduite auprès de 248482 personnes à travers le monde par une équipe de chercheurs dirigée par William David Hill de l'Université d'Edimbourg furent publiés dans la revue "Molecular Psychiatry" éditée par "Nature". Les chercheurs annoncèrent avoir identifié 538 gènes liés à l'intelligence dans 187 loci (régions du génome) associés aux facultés intellectuelles. Les gènes associés sont fortement exprimés dans le cerveau, en particulier dans les neurones épineux moyens striataux (le système des ganglions de la base comprenant le striatum) et dans les neurones pyramidaux de l'hippocampe, tous deux situés dans les profondeurs du cerveau, non loin du corps calleux qui relie les deux hémisphères, comme illustré ci-dessous à gauche.

Toutefois, il est très difficile de préduire l'intelligence d'une personne à partir de son génome. En analysant l'ADN d'une même population, on peut seulement prédire 7% des différences d'intelligences entre les individus.

Selon une étude publiée en 2013 dans la revue "Current Biology" par Ian J. Deary de l'Université d'Edimbourg (qui est aussi coauteur de l'étude génétique précitée publiée en 2018), le génome ne contribue qu'à environ 50% de l'intelligence d'une personne, une valeur plus faible chez l'enfant (40% à 9 ans) que chez le jeune adulte (65% à 17 ans) ou l'adulte (70-80%). En effet, une bonne partie des aptitudes intellectuelles dépendent également de l'environnement. De plus, on constate aussi que les enfants bien nourris, en sécurité, bien éduqués et vivants dans un environnement non pollué et stimulant obtiennent de meilleurs résultats aux tests de QI que les enfants qui en sont privés.

Les résultats d'une étude de psychologie conduite auprès de couples par Plomin et Deary publiés dans la revue "Molecular Psychiatry" en 2014 montrent également que l'intelligence liée aux capacités cognitives et d'apprentissage est corrélée génétiquement dans ~60% des cas contre ~30% des cas avec le phénotype. Les couples sont intellectuellement assortis dans 40% des cas alors que le physique (taille et poids) contribue à ~20%, les autres caractéristiques comportementales telles que la personnalité et la psychopathologie ne représentant que ~10%. Bref, contrairement à ce que prétend la rumeur, on préfère l'intelligence de sa compagne ou compagnon à son apparence ou sa personnalité. Mais soulignons aussi que le facteur financier ou de réputation n'est jamais pris en compte dans ces études. Or personne ne peut nier qu'il joue un rôle, généralement faible quand on est jeune mais qui peut parfois être prédominant ou même essentiel dans certaines cultures (USA, Japon).

Certains parmi ces gènes déterminant l'activité cognitive sont également liés à d'autres processus biologiques comme la longévité ou certaines maladies cognitives au sens large. Plomin et Deary confirment les études antérieures ayant montré les fortes corrélations génétiques sur la santé. Ainsi, il existe des effets protecteurs de l'intelligence pour la maladie d'Alzheimer, le TDAH (Trouble de déficit de l'attention / hyperactivité) et des rétroactions en ce qui concerne la schizophrénie. Ces résultats sont importants pour mieux comprendre la fonction cognitive ainsi que des troubles neurologiques et psychiatriques d'origine génétique.

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Quel pourcentage de notre cerveau utilisons-nous ?

Selon la rumeur nous n'utiliserions que 10% de notre cerveau. C'est totalement faux et Suzana Herculano-Houzel précitée a également rétabli la vérité sur ce sujet. En fait, chacun de nous utilisons toutes les capacités de notre cerveau mais à des degrés différents. Les différences se situent dans la manière dont chacun exploite son intelligence. Mais certaines personnes sont favorisées (tout est relatif) et présentent des aptitudes innées, des dons pour certaines formes d'intelligence.

D'où vient ce mythe des 10% ? Il n'est pas clair de savoir comment ce mythe est né, mais il existe plusieurs sources possibles.

Dans un article publié en 1907 dans la revue "Science", le psychologue et auteur William James affirmait que les humains n'utilisent qu'une partie de leurs ressources cérébrales. Cependant, il ne précisait pas de pourcentage ni démontra ce qu'il prétendait. Grossière erreur de la part d'un scientifique.

Cette valeur de 10% est référencée dans le livre de Dale Carnegie "How to Win Friends and Influence People" publié en 1936. Le mythe fut décrit comme une expression qu'un professeur d'université enseignant à l'auteur avait l'habitude d'utiliser. 

Certains scientifiques pensaient également que les neurones représentaient environ 10% des cellules du cerveau. Cela a peut-être contribué au mythe des 10%.

Ce nombre facile à retenir a entretenu le mythe qui fut répété dans des articles de vulgarisation, des programmes télévisés et des films, ce qui explique pourquoi il est si largement répandu et que beaucoup de personnes croient encore à ce cliché suranné.

La taille du cerveau

Selon une rumeur, le volume du cerveau conditionnerait l'intelligence. Les neurologues savent depuis longtemps que cette affirmation est fausse. Si nous prenons les plus grands animaux existants comme l'orque et l'éléphant d'Afrique, on estime que malgré leur grande taille, le cerveau de ces animaux contiendrait environ 11 milliards de neurones (cf. Roth et Dicke, 2005 et Suzana Herculano-Houzel, 2009). Toutefois, ces valeurs sont très approximatives.

Si nous comparons la taille du cerveau du singe, de l'Australopithèque et des ancêtres de l'Homo sapiens au nôtre (cf. ce schéma), la différence s'est marquée par une évolution de l'intelligence. En revanche, si nous comparons les cerveaux d'individus au sein de la même espèce ou d'une même population, que la personne soit physiquement petite ou grande n'a aucun impact sur son intelligence. Quant aux critères heugénistes, on nage en pleine pseudoscience !

Ce n'est pas le volume du cerveau qui indique le niveau d'intelligence car dans ce cas les cétacés seraient des créatures surdouées, mais le nombre de neurones et de connexions synaptiques entre les neurones et la souplesse de leur adaptabilité combinés aux facultés motrices et sensorielles.

A gauche, CAT-scan du cerveau d'une femme chinoise de 24 ans qui révèle l'absence de cervelet. En 2014, la femme se plaignait d'avoir des difficultés pour parler et marcher. A droite, un cerveau témoin normal.

Il existe des exemples flagrants contredisant l'idée que la taille du cerveau est importante. Pour cela il suffit de se demander si on peut vivre normalement avec 10% de son cerveau ?

Quelques rares personnes dans le monde vivent avec une boîte crânienne amputée de 90% du cerveau; sur une IRM leur cerveau est pratiquement noir et l'espace vide est remplacé par du liquide céphalo-rachidien.

Un Français vit avec un cerveau réduit à 10% de son volume normal depuis sa naissance (le cerveau est plaqué contre la paroi du crâne par le liquide céphalo-rachidien) et n'éprouve aucune difficulté intellectuelle, motrice, sociale ou émotionnelle (les seuls problèmes qu'il connut ce fut à 14 ans quand on lui pompa le liquide céphalo-rachidien a priori inutile mais qui s'avéra finalement nécessaire à sa bonne santé). Son quotient intellectuel est toutefois de 75 mais n'est pas considéré comme une déficience mentale.

Une femme française vit également de cette façon mais éprouve tout de même de légères déficiences motrices et intellectuelles mais son handicap n'a pas été reconnu. Cette personne communique comme vous et moi, y compris sur les réseaux sociaux.

Comme on le voit ci-dessus à droite, une femme chinoise de 24 ans se plaignant d'avoir des difficultés pour parler et marcher correctement apprit en 2014 qu'elle vivait sans cervelet. Il faut savoir que toute lésion du cervelet entraîne des difficultés de langage et de locomotion et peut aussi affecter les réactions face à la peur et le plaisir. Actuellement on ne connaît que 9 personnes vivant sans cervelet.

Depuis, d'autres cas ont été rapportés dans la presse. Si la plupart du temps ces personnes sont autonomes et vivent presque normalement, toutes présentent des séquelles liés au manque de neurones et certaines éprouvent des malaises après 40 ou 60 ans.

Les cas où le patient vit presque normalement rendent évidemment les spécialistes des neurosciences perplexes et la seule explication est que leur cerveau amputé s'est adapté pour assurer au mieux le contrôle des fonctions manquantes. Reste à comprendre comment un cerveau peut correctement fonctionner avec des aires du langage, de la vision, de l'audition et parfois motrices sévèrement touchées. Si on considère que le cerveau est "maléable", ces exemples le confirment avec éloquence.

La plasticité du cerveau

Nous venons d'expliquer que certaines personnes vivent quasi normalerment avec seulement 10% du volume normal de leur cerveau. Cette faculté étonnante signifie à l'évidence que les neurones sont exceptionnellement versatiles ou en tous cas souples et peuvent s'adapter à de nouvelles situations, y compris critiques. Grâce à sa plasticité, les réseaux neuronaux se réorganisent, le cerveau réutilisant des parties de lui-même à de nouvelles fins comme s'il s'agissait d'une structure constituée d'éléments interchangeables. Ceci dit le cerveau n'est pas un mécano et toutes les adaptations, notamment suite à des traumatismes, ne sont pas possibles et laissent malgré tout de lourdes séquelles.

Un neurone et son réseau de dendrites. Document Shelley Halpain/UC San Diego.

Mais les spécialistes ne sont pas encore certains du degré de précision de cette plasticité du cerveau ou neuroplasticité. En particulier, il y a une question toujours sans réponse concernant la manière dont certaines connexions se renforcent car les neurones doivent compenser d'une façon ou d'une autre sinon ils risquent d'être submergés par les influx nerveux entrants. Comme un circuit électrique, on ne peut pas "câbler" le cerveau de n'importe quelle façon au risque de provoquer des courts-circuits et des surtensions qui entraîneront la dégénérescence des neurones avec tous les dommages cognitifs que cela peut entraîner.

En 2006, les travaux d'Anthony Holtmaat de l'Université de Genève et ses collègues sur des souris génétiquement modifiées avaient montré que des changements de "connectique" entre les neurones à travers la formation d'épines dendritiques (l'une des nombreuses petites excroissances qu'on trouve sur les dendrites des neurones et qui assurent les contacts synaptique avec les axones des neurones présynaptiques. C'est à cet endroit du neurone que se trouve la partie réceptrice de la synapse qui possède ses propres microdomaines et protéines de régulation) ou la suppression de synapses étaient au coeur de la neuroplasticité et pouvaient évoluer en fonction de l'entraînement cognitif et d'adaptations neuronales. Mais à l'époque, les chercheurs s'étaient focalisés sur la neuroplasticité et n'ont pas identifié l'origine - par exemple la protéine - régulant ce mécanisme. Douze ans plus tard, cette question restée en suspens trouva une réponse.

Comment ça marche ? Une équipe internationale de chercheurs du MIT pense avoir trouvé un début de réponse grâce à une expérience similaire à celle conduite par Holtmaat. En 2018, le neurologue Mriganka Sur du MIT et ses collègues ont publié dans la revue "Science" les résultats d'une nouvelle étude sur la plasticité synaptique des neurones dans l'aire visuelle de souris également génétiquement modifiées pour les besoins de l'expérience. Ils ont découvert que lorsqu'une connexion synaptique se renforce, la taille des synapses voisines diminue immédiatement pour empêcher les neurones d'être submergés d'influx. Ce mécanisme dépend d'une protéine spécifique dont les effets ne manifestent dès que la taille d'une synapse atteint environ 50 microns.

Un neurone d'hippocampe cultivé in vitro et coloré montrant les microtubules (en vert) et les épines dendritiques (rouge) couvrant l'arborescence dendritique. Document Zhengping Jia Lab.

Pour démontrer ce mécanisme, les chercheurs ont modifié le "champ de réception" ou champ de vision particulier dont le neurone semblait responsable. Ils se sont intéressés à l'épine dendritique particulière d'une dendrite. Lorsqu'ils ont déplacé la cible visuelle que la souris regardait, ils ont pu ajuster le champ réceptif de ce neurone et ont projeté une lumière bleue à l'intérieur du cortex visuel de l'animal. Chez cette souris, les éclairs ont activé le neurone, l'aidant à renforcer cette épine particulière. À mesure que cette épine dendritique renforcée s'est développée, les épines situées à proximité se sont contractées, ce qui provoqua un renforcement ou un affaiblissement des synapses correspondantes, démontrant ainsi une plasticité en action.

Cette expérience montra qu'il est possible de reprogrammer des neurones uniques dans un cerveau vivant, ce qui démontre in vivo la diversité des mécanismes moléculaires qui permettent à ces cellules d'intégrer de nouvelles fonctions grâce à la plasticité synaptique.

Mais ce n'était que la moitié de l'expérience. En effet, les chercheurs ont ensuite découvert que les récepteurs AMPA (acide α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique) étaient corrélés à l'affaiblissement et au renforcement de ces synapses. Ils ont utilisé une étiquette chimique spécialement conçue pour identifier l'expression du régulateur des récepteurs AMPA, une protéine appelée ARC, afin de déterminer les causes des changements. Ils ont découvert que les synapses possédant peu de protéines ARC étaient capables d'exprimer plus de récepteurs AMPA alors qu'une augmentation des protéines ARC dans les épines dendritiques voisines provoqua une diminution du nombre de synapses. Conclusion, selon les chercheurs la protéine ARC maintient un juste équilibre des ressources synaptiques.

Cette découverte vient s'ajouter aux nombreuses autres observations (par exemple le rôle important des mitochondries dendritiques dans la morphogénèse et la plasticité des épines et des synapses) et pourrait aider de manière décisive les neurologues à résoudre la question de la plasticité du cerveau en l'étudiant dorénavant sur des sujets vivants.

La conscience

Où se trouve le siège de la conscience ? Cela fait des siècles que les anatomistes, les psychologues, les neurologues et autres philosophes se penchent sur la question. Définir la conscience n'est déjà pas simple. On la divise généralement en deux composantes : l'éveil (arousal en anglais) et la conscience (awareness) proprement dite. Pour un psychologue, la première est une conscience primaire non attentive tandis que la seconde est réflexive et attentive, caractérisant l'expérience du corps et des émotions ressenties. Cela ne nous donne toujours aucune indication sur la localisation.

Selon les neurologues, l'état d'éveil est contrôlé par le tronc cérébral, c'est-à-dire la partie du système nerveux central qui relie la base du cerveau à la moelle épinière.

Documents ThinkStock photos et Assignment Point adapté par l'auteur.

Selon une étude publiée dans la revue "Neurology" en 2016 par des chercheurs de l'Université d'Harvard, en étudiant les conséquences de lésions cérébrales de 12 patients dans le coma et en les comparant à 24 sujets de contrôle, ils ont découvert que chez un adulte sain, la conscience est le résultat du travail combiné de deux régions corticales : le cortex insulaire ou insula ventral antérieur (AI) et le cortex cingulaire antérieur (pACC). On savait déjà mais de manière approximative que l'AI est associé aux fonctions limbiques et à la conscience notamment, et le pACC gère des fonctions autonomes (rythme cardiaque, pression artérielle), cognitives et les émotions. Les études cliniques ont montré que si les régions AI et pACC sont déconnectées, on observe des désordres de la conscience.

Le sommeil

Pourquoi dormons-nous ? On pense généralement que le sommeil est une période pendant laquelle l'esprit et le corps sont au repos et arrêtent toute activité. Mais ce n'est pas le cas. Si normalement le tonus musculaire est relâché et passe sous le contrôle du système végétatif jusqu'à l'éveil, certaines activités métaboliques et hormonales se poursuivent et expliquent notamment certains symptomes observés durant le sommeil (syndrome des jambes sans repos, rêves en acte, rythmies et autres myoclonies, cf. cet article).

Pour le cerveau, la phase de sommeil est une période active durant laquelle il traite beaucoup d'informations. Comment cela se produit reste un mystère comme la question de savoir pourquoi notre organisme comme celui de tous les animaux est programmé pour une longue période de sommeil représentant jusqu'à un tiers de notre vie. On sait juste que nous avons besoin de dormir pour préserver notre santé et notre bien-être mais on ignore comment tout cela est contrôlé et régulé. Les scientifiques commencent juste à comprendre certaines des fonctions critiques du sommeil.

Le Sommeil par Julia Yellow.

L'un des rôles essentiels du sommeil est de nous aider à consolider les souvenirs.Tout au long de la journée, notre cerveau reçoit et traite une quantité énorme d'informations. Plutôt que d'être directement enregistrés de manière permanente durant la phase d'éveil, ces évènements et autres signaux sont d'abord filtrés, traités et stockés temporairement; la majorité de ces étapes sont réalisées durant la seule période disponible où le cerveau n'est pas en état d'éveil, c'est-à-dire pendant le sommeil. Dès que l'on dort, des bribes d'information sont transférées de la mémoire immédiate ou provisoire vers une mémoire à long terme par un processus appelé  la "consolidation". D'autres informations jugées sans intérêt sont oubliées et les informations secondaires sont placées temporairement dans une mémoire à court terme. Les chercheurs ont également montré qu'après avoir dormi, nous avons tendance à mieux mémoriser les informations et à présenter de meilleures performances mémorielles.

Toutefois, ces performances diminuent avec l'âge et chacun sait qu'on mémorise plus lentement à mesure qu'on avance en âge. En revanche, si on perd un peu de mémoire à court terme en vieillissant, on conserve en parfait état sa mémoire à long terme, notamment celle touchant des évènement importants ou des détails significatifs de notre vie.

Nous avons tous besoin de longues périodes de sommeil afin de gérer notre mémoire, de développer les muscles, les os, de réparer les tissus et de synthétiser les hormones.

Un sommeil sain est un sommeil réparateur et est essentiel pour tout le monde, car nous avons tous besoin de retenir des informations et notamment des compétences durant la vie active. Ceci explique sans doute pourquoi les enfants qui acquièrent des compétences intellectuelles, linguistiques, sociales et motrices à un rythme très rapide tout au long de leur développement ont besoin de plus de sommeil que les adultes pour s'assurer un développement et une vigilance optimaux. Jusqu'à 3 mois, un bébé a besoin de 14 à 17 heures de sommeil et jusqu'à 1 an, il lui faut encore de 12 à 15 heures de sommeil. Jusqu'à l'adolescence vers 14 ans, il lui faut environ 10 heures de sommeil. Jusqu'à ses 18 ans, il a besoin de 8 heures de sommeil. Pendant sa vie adulte, il devrait dormir entre 7 et 9 heures et à partir de 65 ans, il peut se contenter de 7 à 8 heures. Chez les adultes, les valeurs peuvent varier de 30% dans les deux sens. On peut donc trouver des personnes dormant 5 heures et qui sont reposées et d'autres qui ont besoin de 9 heures pour récupérer.

Malheureusement, personne ne peut accumuler une privation de sommeil et déjà au bout de 12 heures d'éveil et de travail soutenu, la plupart des adultes s'assoupissent. S'ils ont accumulé de la fatigue pendant une semaine, certains s'endorment spontanément devant la TV bien avant l'heure d'aller dormir. Toute privation de sommeil exige plusieurs heures de sommeil pour compenser et rembourser ce qu'on appelle la "dette de sommeil". Les meilleures habitudes de sommeil sont des routines saines et régulières qui permettent à tous, peu importe l'âge, de répondre à nos besoins de sommeil et de nous lever tous les jours pour relever les défis de la vie.

A lire : Présentation du système nerveux autonome, Dr Phillip Low

Cours d'anatomie du cerveau, Dimitri Pianeta

Neuroanatomie, Sorbonne Université

Les facultés sensorielles (sur ce site)

L'impact du sommeil sur la fonction métabolique

Selon une étude publiée en 2018 dans la revue "Science Advances", une seule nuit de sommeil manquante peut conduire à une prise de poids. C'est la conclusion à laquelle sont parvenus le neurologue Jonathan Cedernaes de l'Université d'Uppsala en Suède et ses collègues après avoir analysé des échantillons de tissus de 15 adultes de poids moyen et en bonne santé afin de découvrir les changements qu'induiraient les quantités de sommeil au niveau moléculaire. Selon cette étude, il existe une relation neuronale entre un sommeil de mauvaise qualité, les changements métaboliques et la dépression.

Pour réaliser cettes étude, les sujets furent examinés au cours de deux sessions d'un jour. Le deuxième soir, les sujets furent privés de sommeil. En analysant des échantillons de sang et de tissus (biopsies) prélevés uniquement dans les régions du muscle squelettique et des tissus adipeux (graisse) sous-cutanés, les chercheurs ont découvert des traces de perturbations métaboliques, des études antérieures ayant montré que la fonction de ces tissus est liée au diabète et à l'obésité. L'équipe utilisa ces données pour cartographier les modifications de la méthylation de l'ADN, un mécanisme permettant de contrôler l'expression des gènes.

Selon Cedernaes, la perte de sommeil aiguë entraîne des modifications épigénétiques des soi-disant "gènes de l'horloge" qui, dans chaque tissu, régulent le rythme circadien. Les résultats indiquent que la perte de sommeil entraîne des modifications spécifiques des tissus au niveau du degré de méthylation de l'ADN.

Bien que des liens soient clairement établis entre le sommeil et la fonction métabolique, Cedernaes reconnait que le seul défaut de cette étude est peut-être qu’elle évalue l’effet de la perte de sommeil sur une seule nuit, en excluant les pertes de sommeil prolongées ou autres. Il sera intéressant d’étudier dans quelle mesure une ou plusieurs nuits de sommeil réparateur peuvent normaliser les changements métaboliques observés après un manque de sommeil. On sait en effet que l'alimentation et l'exercice physique sont des facteurs qui peuvent également altérer la méthylation de l'ADN en contrant les effets métaboliques indésirables de la perte de sommeil.

Maladies du système nerveux

Parmi  les nombreuses maladies affectant le système nerveux, la plus commune est la céphalée ou migraine dont l'origine est la plupart du temps liée aux nerfs. En Europe, entre 17% (hommes) et 33% (femmes) de la population souffrent de migraines. De façon générale, on estime qu'en Occident 25% de la population souffrent de douleurs chroniques. La douleur est la souffrance qui fait le plus peur aux patients (rappelez-vous les effets d'une mauvaise anesthésie) et handicappe le plus et qui est donc traitée en priorité sur la maladie. En effet, si on peut vivre avec une maladie, on ne peut pas supporter longtemps une douleur intense.

Concernant les migraines, les médicaments ont un effet limité et par leurs effets secondaires hallucinogènes, les plus puissants sont déconseillés à long terme. En revanche, il existe des dispositifs électroniques tels le Cefaly, un petit stimulateur qu'on applique sur le front qui permet de traiter et de prévenir la migraine. Depuis 2017, il existe également une nouvelle génération de médicaments appelés les anticorps monoclonaux qui peuvent prévenir les migraines.

Rappelons que les anticorps monoclonaux sont des protéines fabriquées en laboratoire qui peuvent se lier à des substances dans le corps. Elles peuvent être utilisées pour réguler des parties de la réponse neurologique ou immunitaire. Les anticorps monoclonaux sont déjà utilisés pour traiter le cancer (ils peuvent transporter des médicaments, des toxines ou des substances radioactives directement dans les cellules cancéreuses).

A lire : L'imagerie médicale, CEA, 2017

Grâce à l'informatique, en quelques décennies l'imagerie médicale obtenue d'abord par des moyens radiologiques puis par RMN avant de passer à l'IRM et au TEP a fait des progrès prodigieux. A gauche, une tomoscintigraphie du cerveau (PET-scan) qui permet d'observer l'anatomie et le fonctionnement du cerveau. Au centre, un scanner IRM révélant une légère commotion cérébrale. A droite, une IRM du tenseur de diffusion ou DTI qui permet de visualiser l'orientation des fibres nerveuses de la substance blanche qui permettent de relier les neurones d'une région du cerveau à l'autre. Documents CHR/U.Lille, T.Anderson et al/BMJ Journals et Laboratoire Yves Joanette.

Les patients atteints de troubles neurologiques éprouvent des difficultés fonctionnelles qui entraînent différents maladies parmi lesquelles :

- L'épilepsie, dans laquelle des décharges électriques anormales entre neurones provoquent des crises,

- La maladie d'Alzheimer, qui couvre un large éventail de troubles qui affectent les fonctions mentales, en particulier l'appentissage et la mémoire,

- La maladie de Parkinson, qui est une maladie nerveuse progressive qui affecte les mouvements des membres,

- La sclérose en plaques (SEP), dans laquelle la muqueuse protectrice des nerfs est attaquée par le système immunitaire,

- La sclérose latérale amyotrophique (SLA) ou maladie de Charcot (maladie de Lou Gehrig), est une maladie du motoneurone dégénérative qui affaiblit les muscles et entrave progressivement toutes les fonctions physiques,

- La maladie de Huntington, qui est une maladie héréditaire qui provoque la dégénérescence des neurones

Le système nerveux peut également être affecté par des troubles vasculaires :

- Un accident vasculaire cérébral (AVC), qui survient lorsque le cerveau saigne ou qu'il n'est plus oxygéné,

- Des atteintes ischémiques transitoires (AIT), qui sont de petits accidents vasculaires cérébraux qui durent peu de temps mais qui simulent les symptômes d'un AVC,

- Une hémorragie sous-arachnoïdienne, qui saigne spécifiquement entre le cerveau et les méninges qui peut être le résultat d'un traumatisme ou d'une rupture d'un petit vaisseau sanguin,

- Les infections telles que la méningite, l'encéphalite, la poliomyélite et l'abcès épidural peuvent également affecter le système nerveux. Certaines maladies comme la méningite qui est une inflammation des méninges est soit bénigne s'il s'agit d'un virus soit très grave et contagieuse s'il s'agit d'une bactérie (méningocoque groupe B ou C). Dans le cas d'une contamination bactérienne, le vaccin est efficace dans 90% des cas. Sans traitement, la victime éprouve d'abord des vertiges comme si elle titubait, des maux de tête, elle vomit puis elle peut sombrer dans le coma d'un instant à l'autre. Si elle n'est pas prise en charge d'urgence, même si la personne a toujours présenté une excellente santé, cette infection peut provoquer un décès foudroyant (en 24 heures). Parmi les 10% de patients qui en réchappent, 30% gardent de graves séquelles (reins détruits, problèmes neurologiques, amputation et surdité). En général on ne diagnostique pas l'infection par radiographie ou scanner et a priori rien ne permet de comprendre pourquoi un patient est dans le coma sans signes apparents. Le réflexe immédiat doit être la prise de sang car l'analyse sera sans équivoque et on pourra traiter le malade au moyen d'antibiotiques.

Chaque année, en France une trentaine de jeunes meurent ainsi d'une méningite foudroyante dûe au méningocoque C. En Belgique, bien que la maladie soit rare, en 2016 près d'une centaine de personnes furent infectées par le méningocoque B.

Enfin, il y a les syndromes cérébelleux qui concernent tous les symptômes relatifs au dysfonctionnement du cervelet et touchant la coordination des mouvements et l'équilibre : tremblements, lenteur des mouvements, baisse du tonus musculaire, etc. Le cervelet interagissant avec d'autres structures nerveuses, il peut entraîner d'autres symptômes apparemment non spécifiques à cet organe d'où l'intérêt des diagnostics croisés par le biais de différents outils d'analyses.

A gauche, un TEP-scan 3D d'un cerveau normal (haut) et de celui d'un patient dyslexique (bas). Au centre, une greffe neuronale dans la maladie de Huntington. La reconstruction 3D fut réalisée à partir d'images IRM et TEP. Le cerveau est représenté par superposition d'images anatomiques et fonctionnelles. A droite, coupes transversales à hauteur des oreilles d'un cerveau sain comparé à celui d'un patient à un stade avancé de la maladie d'Alzheimer où une grande partie de sa masse cébérale a disparu. On constate une réduction du cortex qui entraîne des lésions dans les régions associées à la pensée, à la planification et à la mémoire. A ce stade avancé, le rétrécissement du cerveau est particulièrement marqué dans l'hippocampe qui assure la formation des nouveaux souvenirs. On observe également un grossissement des ventricules (les espaces remplis de fluides situés à l'intérieur du cerveau). Documents ISM, SHFJ-CEA-CNRS2210 et Alzheimer's association.

Les problèmes d'ordre neurologique étant variés, les traitements le sont également et varient entre les médicaments anti-douleurs (opiacés), les anti-inflammatoires, des stimulateurs nerveux implantés et des dispositifs portables. Quand la médecine traditionnelle devient impuissante face à la douleur, beaucoup de patients se tournent alors vers la médecine alternative à base de plantes et holistique comme l'acupuncture.

Traitement de la maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson se manifeste progressivement par des troubles moteurs s'intensifiant au fil des années : perte d'équilibre, difficultés pour marcher, problème de déglutition, etc. Dans la phase avancée de la maladie, le patient peut tomber ou présenter des défaillances cognitives qui imposent une prise en charge sur mesure.

Actuellement on n'en guérit pas mais il existe des médicaments qui réduisent les troubles commes les anti-parkinsoniens (L-Dopa et agonistes dopaminergiques) qui ralentissent la destruction des molécules de dopamine mais ils présentent tous des effets secondaires pouvant aller jusqu'à des hallucinations. Il existe également des médicaments anticholinergiques qui agissent sur les tremblements mais ils perdent leur efficacité au bout de quelques années. On peut également agir dans la forme précoce par une rééducation fonctionnelle. Enfin, dans des cas précis (tremblements sévères, complications motrices, activité artistique de haut niveau, etc), on peut également traiter les tremblements et même les éliminer au moyen de minuscules électrodes implantés dans le cerveau au niveau des noyaux gris centraux qui contrôlent les mouvements.

Traitement de la maladie d'Alzheimer

La maladie d'Alzheimer touche actuellement ~30 millions de personnes dont beaucoup de personnes âgées et on estime que d'ici 2050 elle touchera 20% de la population occidentale. Pour atténuer les effets de la maladie, les médecins prescrivent des médicaments augmentant le taux d'acétylcholine, un neurotransmetteur qui favorise la communication synaptique entre les neurones (par ex. Donépézil, Rivastigmine, Galantamine, etc). Notons que ces produits ne sont pas des traitements curatifs mais symptomatiques qui améliorent les facultés du patient. Ils sont en vente libre et tous présentent des effets secondaires.

Comme l'ont bien expliqué Yadong Huang et Lennart Mucke de l'Université de Californie (UCSF) dans un article publié en 2012 dans la revue "Cell" et illustré par les schémas présentés ci-dessous, il existe deux principales théories expliquant le mécanisme de propagation de la maladie d'Alzheimer :

- l'hypothèse de l'amyloïde qui agit sur la production de peptide Aβ à l'origine de l'accumulation de plaque amyloïde (Aβ) autour des neurones

- l'hypothèse de la protéolyse ApoE qui augmente la quantité d'apolipoprotéine E4 exprimée par le gène ApoE4.

A gauche, les deux théories expliquant la maladie d'Alzheimer : l'hypothèse de l'amyloïde et celle de l'ApoE mais qui finalement produisent les mêmes effets, c'est-à-dire un déclin cognitif. A droite, suite à un stress ou une blessure, le gène ApoE peut s'exprimer. Cela provoque une surproduction de la protéine ApoE4 qui va altérer le fonctionnement des neurones et des mitochondries neuronales et conduire à des déficiences d'apprentissage et de mémorisation et dans le pire cas à une démence sénile. Documents L.Mucke et al. (2012) adaptés par l'auteur.

Les deux mécanismes s'amplifient avec l'âge et augmentent la production de la protéine Tau qui progresse de neurone à neurone, entraînant un déclin des facultés cognitives pouvant aller jusqu'à la démence sénile.

Un stress ou une blessure peut également induire une surexpression du gène ApoE4 qui va provoquer une augmentation de la protéine Tau qui va interagir et altérer les mitochondries des neurones, deux pathologies qui vont finalement conduire à des déficiences d'apprentissage et de mémorisation (certain dans le cas de Tau et probable dans le cas de l'altération des mitochondries).

Ce sont ces trois mécanismes que les chercheurs étudient pour tenter d'enrayer ou éliminer la maladie.

Si on considère l'action du gène ApoE4, selon une étude publiée en 2018 par l'équipe de Li-Huei Tsai du MIT dans la revue "Neuron" (dont voici un résumé), chez les patiens souffrant de la maladie d'Alzheimer on constate que le gène ApoE4 qui exprime l'apolipoprotéine E4 est trois fois plus fréquent que chez des patients sains. Les chercheurs ont découvert que les cellules exprimant ApoE3 et ApoE4 différaient par l'expression de centaines de gènes - environ 250 gènes ont disparu et 190 sont apparus dans les cellules contenant ApoE4. Leur nombre était encore plus élevé dans les astrocytes (cellules gliales). Ces changements génétiques se sont également traduits par des différences de comportement cellulaire. Les neurones présentant l'ApoE4 ont formé plus de synapses et ont sécrété des niveaux plus élevés de protéine amyloïde qui est néfaste pour le système nerveux. Les chercheurs concluent qu'ils pourraient éliminer les symptômes de la maladie d'Alzheimer en éditant le gène ApoE4 afin de le transformer en sa variante ApoE3 beaucoup plus commune (78% de la population contre 14% pour ApoE4 et 8% pour ApoE2).

A gauche, base multifactorielle de la pathogenèse de la maladie d'Alzheimer. A droite, mécanisme de l'expression neuronale de l'ApoE. Documents L.Mucke et al. (2012) adaptés par l'auteur.

Concernant la protéine Tau, des chercheurs américains ont découvert grâce à des expériences réalisées sur des souris qu'il était possible de neutraliser cette protéine à l'origine de la propagation de la maladie en injectant dans le sang de souris des oligonucléotides ou ARN génétiquement modifiés. Pour l'instant les tests sont concluant sur des souris (cf. 2012 et 2016) mais furent négatifs sur des singes en 2017.

Enfin, en 2018 Ruth F. Itzhaki de l'Université de Manchester et Richard Lathe de l'Université d'Edimbourg ont également découvert une corrélation entre l'infection par le virus herpès simplex (HSV-1) et la maladie d'Alzheimer. Les scientifiques ont analysé un rapport publié par des chercheurs taïwanais qui avaient examiné plus de 8300 patients de plus de 50 ans ayant souffert de graves infections herpétiques et qui furent soignés avec des médicaments antiviraux très puissants. Un groupe de contrôle de 25000 personnes non affectés servit de témoin. Cette étude révéla que le risque de démence sénile après avoir subi ce traitement avait été réduit d'un facteur 10. De plus, les médicaments anti-herpétiques ont empêché le développement tardif de la démence chez 90% des patients étudiés. C'est la première fois qu'on établit un lien de causalité entre l'infection par le virus herpès simplex et la maladie d'Alzheimer. Les résultats de l'étude d'Itzhaki er Lathe furent publiés dans le "Journal of Alzheimer's Disease". Une étude similaire fut publiée par l'équipe de William A.Eimer dans la revue "Neuron".

A terme, mais cela se compte probablement en dizaines d'années, les chercheurs espèrent développer un vaccin contre la maladie d'Alzheimer.

Tenir l'Alzheimer à l'oeil

Dans une étude publiée en 2018 dans le "Journal of American Medecine Association Ophtalmology", l'ophtalmologue Bliss Elizabeth O’Bryhim de l'Université Washington à St Louis, MI, et ses collègues ont proposé une nouvelle technique pour détecter la maladie d'Alzheimer.

Photographie et OCT de la rétine. La fovéa est au centre de l'image entourée de la zone sombre de la macula. La tache brillante à droite est le nerf optique. On distingue également les artères et de petites veines. Document OCT-Optovue.

Cette technique est basée sur l'angiographie-OCT ou OCT-A (Optical Coherence Tomographic-Angiography) de la rétine. Selon O'Bryhim, cette nouvelle technique d'imagerie permet de visualiser en trois dimensions les réseaux vasculaires de la rétine. Les zones non vascularisées sont l'un des symptômes précoces de la maladie d'Alzheimer. La technique est non invasive, ne requérant ni injection de produit de contraste ni de produit fluorescent au patient et représente un outil de diagnostic rapide avant d'éventuellement faire subir au patient d'autres tests plus lourds. En effet, des années avant que la maladie se déclare, on observe un amincissement de la rétine du patient et l'apparition de plaques amyloïdes (des dépôts d'agrégats de protéines cérébrales β amyloïdes qui se manifestent par des taches blanches sur la rétine, cf. M.Koronyo-Hamaoui et al., 2011) qui vont ensuite envahir le cerveau. Ces plaques amyloïdes sont 4 à 5 fois plus nombreuses chez les Alzheimer. Il s'agit des premiers symptômes neurologiques de la maladie.

Selon une étude publiée en 2017 dans la revue "JCI insight" par Yosef Koronyo du Cedars-Sinai Medical Center de Los Angeles et ses collègues, l'administration de curcumine, une substance fluorochrome se liant avec les plaques de protéines β amyloïdes, permettait de détecter leur présence grâce à un simple examen du fond de l'œil. La nouvelle technique d'angio-OCT est plus simple et permet en plus de détecter le manque de vascularisation rétinienne.

Selon l'ophtalmologue Rajendra Apte qui participa à l'étude de O'Bryhim, au niveau de la fovéa qui est la zone de la rétine où notre vue est la plus précise, la plupart d'entre nous présentons une petite zone (quelques millimètres carrés) non vascularisée. Les chercheurs ont découvert que cette zone était significativement plus large chez les patients ayant une maladie d'Alzheimer préclinique. La maladie peut commencer à détruire le cerveau jusqu'à deux décennies avant les premières pertes de mémoire et les premiers troubles neurologiques. Le système nerveux central et la rétine étant liés, les changements survenuant dans le cerveau pourraient donc se refléter dans les cellules de la rétine.

Les chercheurs ont basé leur étude sur l'analyse clinique de 30 patients âgés d'environ 75 ans, n'ayant pas encore de symptômes d'Alzheimer mais présentant déjà un amincissement anormal de la rétine. 17 d'entre-eux présentaient également sur les PET- scans ou les ponctions lombaires, des signes précliniques de la maladie. Toutefois, l'étude n'a pas suivi les patients dans le temps pour vérifier s'ils avaient ou non développé la maladie d'Alzheimer. Aussi, avant de poser une relation certaine de cause à effet, les chercheurs doivent reconduire l'expérience sur un beaucoup plus grand nombre de personnes et sur une période plus longue. Cette nouvelle approche reste néanmoins prometteuse.

L'étude antérieure conduite par Koronyo et ses collègues avait également analysé les rétines de 23 patients décédés et les ont comparées à 14 individus d'âge similaire non affectés par la maladie. Ils ont également constaté des signes d'amincissement de la rétine et de dégradations du nerf optique, corrélés à l'accumulation de plaques de β amyloïde dans les rétines des malades d'Alzheimer. Ces dernières pourraient donc être la cause de la baisse de vascularisation au centre de la rétine. De plus, la partie neuronale dans la rétine de ces malades était corrélée avec la perte neuronale dans leur cerveau. Toutefois, d'autres études doivent être réalisées avant l'application clinique de l'angio-OCT.

Spécialistes : Neurologue, ophtalmologue, psychiatre.

Troisième partie

Les systèmes musculaire, respiratoire et circulatoire

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