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Fonctionnement élémentaire du cerveau

On peut schématiser le fonctionnement du cerveau en trois compartiments: entrée de l'information, synthèse et comparaison, sortie et action. Les connaissances actuelles concernent surtout les mécanismes d'entrée et de sortie, alors que le traitement central de l'information, qui constitue la majeure partie de l'activité cérébrale, reste encore mal compris.

Arrivée de l'information

L'entrée dans le système nerveux se fait par des groupes de récepteurs spécifiquement sensibles à une variation du monde extérieur perçue par les organes des sens, ou du monde intérieur, la position du corps par exemple.

Le récepteur peut être le premier neurone lui-même, comme dans le cas de l'odorat, ou n'être qu'en contact étroit avec celui-ci, comme pour les photorécepteurs de la rétine. Ces récepteurs sont particulièrement sensibles aux variations d'un stimulus, c'est-à-dire aux modifications de son intensité, à son apparition ou à son arrêt.

Dans le fonctionnement du système nerveux, qui extrait l'information importante de la masse globale des informations disponibles, ce sont les changements qui sont pris en compte: une odeur nouvelle, une lumière plus ou moins intense; la conscience de cette modification ne dure que quelques instants.

Traitement de l'information

Après réception par le premier groupe de neurones, l'information est acheminée vers des régions spécialisées du cerveau, où elle sera d'abord perçue puis comparée aux informations de même nature reçues simultanément ou déjà stockées en mémoire. À chaque étape il existe une divergence, un neurone d'entrée en contacte plusieurs, et ainsi de suite jusqu'à ce que plusieurs aires cérébrales participent au traitement des données. Une synthèse est effectuée, et la sortie va se faire au contraire par convergences successives pour aboutir à l'action, par exemple la contraction harmonieuse d'un muscle.

Circuits neuronaux simples et rapidité d'action

Ce circuit peut être très court: on parle alors de réflexe. Ainsi, lorsque l'on frappe avec un marteau sous la rotule, il n'existe qu'une connexion entre le neurone qui apporte l'information vers la moelle épinière et celui qui commande la contraction de la cuisse. Il suffit de quatre connexions pour aller du stimulus «lumière» à la réaction «contraction de la pupille».

Ces systèmes courts permettent des réactions rapides – il convient de ne pas laisser trop longtemps ses doigts sur une plaque brûlante! – mais peu élaborées. La contraction de la cuisse se fait de façon automatique et brutale, même si un obstacle est présent devant le pied; en revanche, l'exécution d'un morceau de piano suppose des connexions très complexes à cause du nombre de muscles qu'il convient à chaque instant de contracter et de décontracter, et de la nécessité d'enchaîner harmonieusement des commandes pour aboutir au rythme de la mélodie, voire à son interprétation artistique.

Des circuits neuronaux en boucle

Ce dernier exemple conduit à une autre caractéristique fondamentale du fonctionnement cérébral: le système de boucles à chaque étape. En effet, à chaque relais une partie des fibres et des connexions revient vers l'étape précédente pour l'informer et la rétrocontrôler (feed-back), et lors de la sortie finale les sens enregistrent l'action, la rectifient ou l'ajustent jusqu'au dernier instant: ces boucles nous permettent de marcher, et non de sauter d'un point à l'autre comme des pantins désarticulés, de garder notre équilibre lorsque nous marchons contre le vent, lors d'un match de tennis de retourner une balle à laquelle l'adversaire aurait donné un effet inattendu.

Développement embryonnaire du cerveau

Comment cette incroyable machinerie de plusieurs centaines de milliards de cellules, connectées entre elles de façon précise et reproductible, se met-elle en place d'un individu à l'autre? C'est l'un des sujets les plus brûlants de la neurobiologie actuelle, car il ouvre non seulement sur une meilleure compréhension de notre cerveau, mais également sur la connaissance de nombreuses maladies liées à des anomalies de l'organisation cérébrale.

L'origine du système nerveux se situe dans une couche de cellules situées sur la partie dorsale de l'embryon, la plaque neurale. Ce tissu se creuse en une gouttière, le tube neural, d'où se différencient trois excroissances qui donneront les trois compartiments cérébraux: télencéphale (futurs hémisphères et structures sous-corticales), mésencéphale (futur tronc cérébral), rhombencéphale (avec l'ébauche du cervelet). Au-delà des observations morphologiques, c'est la compréhension du programme – déterminant la différenciation des neurones et des cellules gliales, leur migration vers leur place définitive, ainsi que les formations des connexions spécifiques – qui constitue le sujet d'étude des neurobiologistes du développement.

Le programme de développement du système nerveux

Ce programme comprend 8 stades: l'induction de la plaque neurale, la prolifération cellulaire, la migration des cellules vers leur emplacement définitif, leur agrégation en structures identifiables dans le cerveau, la différenciation des cellules immatures en cellules matures, l'établissement de connexions, la mort de certaines cellules et l'élimination de certaines connexions.

En fait, lors de la vie embryonnaire et chez le jeune enfant, certaines de ces étapes se superposent et sont décalées dans le temps selon le type cellulaire et la région cérébrale concernée. Par exemple, les oligodendrocytes ne se différencient qu'après la naissance, et la myélinisation (synthèse de la myéline pour favoriser la conduction de l'influx nerveux) ne se fait qu'au cours des premiers mois de la vie.

Autre exemple, une structure comme le cervelet ne se développe réellement qu'après la naissance, et de nombreux neurones continuent à se multiplier au niveau de sa couche la plus superficielle durant les premières semaines de la vie.

Un développement lent et long du système nerveux, caractéristique essentielle des mammifères, permet un apprentissage particulièrement important, qui trouve sa plus grande expression chez les primates, et bien sûr de façon encore plus développée chez l'homme.

Sélection de cellules nerveuses et stabilisation

Initialement, le nombre de cellules et de contacts synaptiques est très supérieur à celui existant à l'âge adulte. L'un des principes du développement cérébral, la stabilisation sélective, repose en effet sur la sélection de certaines cellules et de certains contacts intercellulaires. Sélection et stabilisation sont génétiquement programmées, mais la détermination finale de la cellule sélectionnée ou du contact stabilisé est le fruit des interactions avec l'environnement, de l'apprentissage sous toutes ses formes.

Dans la construction du cerveau, l'épigenèse (théorie du développement embryonnaire par différenciations successives) a le dernier mot. Il existe également dans le système nerveux central adulte des possibilités de régénération et de plasticité. Découverts récemment, ces phénomènes semblent être, chez l'adulte, sous le contrôle de mécanismes multiples et complexes où les éléments inhibiteurs semblent prédominer, pour maintenir une certaine stabilité du système. Les avancées actuelles de la biologie moléculaire et de la modélisation théorique des systèmes devraient permettre de mieux comprendre ces phénomènes.

Les molécules intervenant dans le développement du cerveau

Au cours des années 1980, trois découvertes sont venues éclairer les mécanismes qui président au commencement et au développement des différentes étapes du programme: les facteurs de croissance, les molécules d'adhésion et les gènes homéotiques. C'est la combinaison de ces éléments et d'autres – qui restent probablement à découvrir – ainsi que leur enchaînement au cours du temps qui déterminent l'entrée dans chaque étape et sa réalisation.

Schématiquement, les gènes homéotiques constituent une famille présentant une séquence d'ADN commune, l'homéoboîte. L'activation de ces gènes va déterminer le devenir de la cellule, neurone ou cellule gliale, neurone du mésencéphale ou neurone du cortex cérébral, selon un programme, ou enchaînement, spécifique de l'espèce.

Les molécules d'adhésion vont permettre aux cellules de même nature de se reconnaître entre elles, de se regrouper et de délimiter des structures.

Enfin, les facteurs de croissance sont les molécules chimiques privilégiées de communication entre les cellules au cours du développement. Le rôle de ces molécules, présentes à un faible niveau dans le cerveau adulte, est mal connu mais pourrait être nécessaire à la survie de certains neurones.

Les mouvements animant les cellules cérébrales

Grâce à des marqueurs radioactifs telle la thymidine tritiée, le processus de mise en place des cellules cérébrales a pu être suivi. Les grands neurones qui envoient des prolongements à distance sont formés avant les petits. Dans le cortex cérébral, les premières cellules à arrêter leur division sont situées dans la couche la plus profonde, et plus les autres cellules l'arrêtent tardivement plus elles occupent des couches superficielles; il existe donc une phase de migration.

Au début des années 1970, P. Rakic a particulièrement bien décrit, pour le cortex cérébral, la séquence d'événements durant cette migration, et sa démonstration a depuis été étendue à l'ensemble du système nerveux. Comment un neurone «sait»-il se diriger et s'arrêter pour former un agrégat? Certaines cellules gliales spécialisées (glie radiaire) forment des sortes de rails qui guident les neurones vers leur place définitive. Chez des souris mutantes, où la glie radiaire dégénère précocement, la migration neuronale est anarchique.

Il existe, enfin, des périodes critiques pour la mise en place d'une connexion donnée. D. Hubel et T. Wiesel ont montré, par exemple, que les circuits qui permettent la vision dépendent étroitement de l'activité de l'œil pendant les premiers jours du nouveau-né. Une privation de lumière au cours de cette période provoque la perte de la capacité visuelle, alors même que la rétine et tout l'appareil perceptif sont intacts. La même privation quelques jours plus tard est sans effet, la période critique de stabilisation du circuit étant passée.

Le contrôle du milieu intérieur par le cerveau

L'une des fonctions essentielles du cerveau est le contrôle de la stabilité du milieu intérieur (maintien des volumes, régulation des composants), mais aussi de la stabilité de la température à 37 °C. L'homéostasie est ainsi contrôlée par une petite région située à la base du cerveau, l'hypothalamus, qui agit en liaison avec d'autres structures cérébrales, en particulier le système limbique et le cortex. Ayant sous sa dépendance les différentes fonctions endocrines et le système nerveux végétatif, l'hypothalamus agit directement pour maintenir constants les paramètres intérieurs. Son action est aussi indirecte, par l'intermédiaire des émotions et de conduites visant à la satisfaction de certains besoins.

Le rôle de l'hypothalamus

L'hypothalamus est lui-même un ensemble constitué de plusieurs amas de neurones, dont chacun est plus particulièrement responsable d'une fonction. Un premier ensemble de fonctions essentielles est le contrôle d'une petite glande appendue à la base du crâne: l'hypophyse. À travers elle, l'hypothalamus contrôle l'activité des différentes glandes endocrines, depuis la thyroïde jusqu'à la surrénale en passant par les glandes sexuelles, ovaires et testicules. Pour ce faire, l'hypothalamus communique par l'envoi de petits peptides, les «releasing factors», qui agissent sur l'un des huit types de cellules de la glande hypophysaire. Il contrôle également directement la réabsorption du sel par le rein grâce à la vasopressine que sa partie postérieure sécrète.

L'hypothalamus est aussi à l'origine des comportements et conduites dictés par la faim ou la soif. Lorsque les capteurs situés en son sein ou en périphérie, dans le système digestif par exemple, indiquent une diminution importante des réserves énergétiques, il active un ensemble de relais qui conduisent simultanément à la mobilisation des réserves de l'organisme et à un comportement de prise alimentaire selon des conduites élaborées au niveau du système limbique puis du cortex cérébral; les neurotransmetteurs impliqués commencent à être connus.

Le système limbique

Le terme de «système limbique» est dérivé de la description par Paul Broca d'un lobe situé en bordure intérieure des hémisphères cérébraux. En fait, notre notion actuelle du système repose sur les travaux des Américains J. Papez puis MacLean, qui mettent en évidence un circuit complexe, très ancien en termes d'évolution des espèces, impliqué dans la naissance et l'expression des émotions.

Anatomiquement, il s'agit d'une boucle qui entoure le troisième ventricule et relie des ensembles de neurones aux noms étranges: tubercules mamillaires, amygdale, hippocampe, habénula, accumbens, strie terminale, etc. Le plus important est de savoir que ces ensembles sont intimement connectés et reçoivent de multiples informations venant de tout le système nerveux, et plus particulièrement du cortex cérébral et de l'hypothalamus.

Élaboration des comportements instinctifs

En retour, c'est au niveau de ce circuit complexe que s'élaborent certains comportements «instinctifs», comme l'agressivité ou la fuite, mais également des sensations telles que le plaisir, ou, en d'autres termes, la satiété et le contentement. Il existe également une étroite coopération entre le système limbique et l'hypothalamus dans la naissance, le développement et l'élaboration des conduites sexuelles.

L'hippocampe

Le système limbique, et plus particulièrement l'hippocampe, situé dans la partie interne du lobe temporal, est également un relais essentiel des phénomènes d'apprentissage et de récupération des informations stockées en mémoire. Sa destruction entraîne une perte irréparable de ces deux fonctions. Par ailleurs, il est connu que la qualité de l'apprentissage et de la remémoration est liée aux affects associés aux circonstances de leurs acquisitions: on se rappelle mieux un événement fort, qu'il soit du domaine du plaisir ou de la douleur.

L'ensemble hypothalamus-système limbique, souvent considéré comme le cerveau primitif, préside à un grand répertoire de situations et de conduites allant de la faim à la fuite, en passant par la peur et l'attaque. Il arrive toutefois un moment où ces conduites entraînent une interaction avec le milieu extérieur. Chez la plupart des animaux, et particulièrement chez les mammifères, le développement du cortex cérébral correspond à la possibilité de maîtriser les conduites instinctives. Cela permet de les différer dans le temps et d'élaborer ainsi les stratégies d'une meilleure satisfaction des besoins.

Fonctionnement élémentaire du cerveau

On peut schématiser le fonctionnement du cerveau en trois compartiments: entrée de l'information, synthèse et comparaison, sortie et action. Les connaissances actuelles concernent surtout les mécanismes d'entrée et de sortie, alors que le traitement central de l'information, qui constitue la majeure partie de l'activité cérébrale, reste encore mal compris.

Arrivée de l'information

L'entrée dans le système nerveux se fait par des groupes de récepteurs spécifiquement sensibles à une variation du monde extérieur perçue par les organes des sens, ou du monde intérieur, la position du corps par exemple.

Le récepteur peut être le premier neurone lui-même, comme dans le cas de l'odorat, ou n'être qu'en contact étroit avec celui-ci, comme pour les photorécepteurs de la rétine. Ces récepteurs sont particulièrement sensibles aux variations d'un stimulus, c'est-à-dire aux modifications de son intensité, à son apparition ou à son arrêt.

Dans le fonctionnement du système nerveux, qui extrait l'information importante de la masse globale des informations disponibles, ce sont les changements qui sont pris en compte: une odeur nouvelle, une lumière plus ou moins intense; la conscience de cette modification ne dure que quelques instants.

Traitement de l'information

Après réception par le premier groupe de neurones, l'information est acheminée vers des régions spécialisées du cerveau, où elle sera d'abord perçue puis comparée aux informations de même nature reçues simultanément ou déjà stockées en mémoire. À chaque étape il existe une divergence, un neurone d'entrée en contacte plusieurs, et ainsi de suite jusqu'à ce que plusieurs aires cérébrales participent au traitement des données. Une synthèse est effectuée, et la sortie va se faire au contraire par convergences successives pour aboutir à l'action, par exemple la contraction harmonieuse d'un muscle.

Circuits neuronaux simples et rapidité d'action

Ce circuit peut être très court: on parle alors de réflexe. Ainsi, lorsque l'on frappe avec un marteau sous la rotule, il n'existe qu'une connexion entre le neurone qui apporte l'information vers la moelle épinière et celui qui commande la contraction de la cuisse. Il suffit de quatre connexions pour aller du stimulus «lumière» à la réaction «contraction de la pupille».

Ces systèmes courts permettent des réactions rapides – il convient de ne pas laisser trop longtemps ses doigts sur une plaque brûlante! – mais peu élaborées. La contraction de la cuisse se fait de façon automatique et brutale, même si un obstacle est présent devant le pied; en revanche, l'exécution d'un morceau de piano suppose des connexions très complexes à cause du nombre de muscles qu'il convient à chaque instant de contracter et de décontracter, et de la nécessité d'enchaîner harmonieusement des commandes pour aboutir au rythme de la mélodie, voire à son interprétation artistique.

Des circuits neuronaux en boucle

Ce dernier exemple conduit à une autre caractéristique fondamentale du fonctionnement cérébral: le système de boucles à chaque étape. En effet, à chaque relais une partie des fibres et des connexions revient vers l'étape précédente pour l'informer et la rétrocontrôler (feed-back), et lors de la sortie finale les sens enregistrent l'action, la rectifient ou l'ajustent jusqu'au dernier instant: ces boucles nous permettent de marcher, et non de sauter d'un point à l'autre comme des pantins désarticulés, de garder notre équilibre lorsque nous marchons contre le vent, lors d'un match de tennis de retourner une balle à laquelle l'adversaire aurait donné un effet inattendu.

Développement embryonnaire du cerveau

Comment cette incroyable machinerie de plusieurs centaines de milliards de cellules, connectées entre elles de façon précise et reproductible, se met-elle en place d'un individu à l'autre? C'est l'un des sujets les plus brûlants de la neurobiologie actuelle, car il ouvre non seulement sur une meilleure compréhension de notre cerveau, mais également sur la connaissance de nombreuses maladies liées à des anomalies de l'organisation cérébrale.

L'origine du système nerveux se situe dans une couche de cellules situées sur la partie dorsale de l'embryon, la plaque neurale. Ce tissu se creuse en une gouttière, le tube neural, d'où se différencient trois excroissances qui donneront les trois compartiments cérébraux: télencéphale (futurs hémisphères et structures sous-corticales), mésencéphale (futur tronc cérébral), rhombencéphale (avec l'ébauche du cervelet). Au-delà des observations morphologiques, c'est la compréhension du programme – déterminant la différenciation des neurones et des cellules gliales, leur migration vers leur place définitive, ainsi que les formations des connexions spécifiques – qui constitue le sujet d'étude des neurobiologistes du développement.

Le programme de développement du système nerveux

Ce programme comprend 8 stades: l'induction de la plaque neurale, la prolifération cellulaire, la migration des cellules vers leur emplacement définitif, leur agrégation en structures identifiables dans le cerveau, la différenciation des cellules immatures en cellules matures, l'établissement de connexions, la mort de certaines cellules et l'élimination de certaines connexions.

En fait, lors de la vie embryonnaire et chez le jeune enfant, certaines de ces étapes se superposent et sont décalées dans le temps selon le type cellulaire et la région cérébrale concernée. Par exemple, les oligodendrocytes ne se différencient qu'après la naissance, et la myélinisation (synthèse de la myéline pour favoriser la conduction de l'influx nerveux) ne se fait qu'au cours des premiers mois de la vie.

Autre exemple, une structure comme le cervelet ne se développe réellement qu'après la naissance, et de nombreux neurones continuent à se multiplier au niveau de sa couche la plus superficielle durant les premières semaines de la vie.

Un développement lent et long du système nerveux, caractéristique essentielle des mammifères, permet un apprentissage particulièrement important, qui trouve sa plus grande expression chez les primates, et bien sûr de façon encore plus développée chez l'homme.

Sélection de cellules nerveuses et stabilisation

Initialement, le nombre de cellules et de contacts synaptiques est très supérieur à celui existant à l'âge adulte. L'un des principes du développement cérébral, la stabilisation sélective, repose en effet sur la sélection de certaines cellules et de certains contacts intercellulaires. Sélection et stabilisation sont génétiquement programmées, mais la détermination finale de la cellule sélectionnée ou du contact stabilisé est le fruit des interactions avec l'environnement, de l'apprentissage sous toutes ses formes.

Dans la construction du cerveau, l'épigenèse (théorie du développement embryonnaire par différenciations successives) a le dernier mot. Il existe également dans le système nerveux central adulte des possibilités de régénération et de plasticité. Découverts récemment, ces phénomènes semblent être, chez l'adulte, sous le contrôle de mécanismes multiples et complexes où les éléments inhibiteurs semblent prédominer, pour maintenir une certaine stabilité du système. Les avancées actuelles de la biologie moléculaire et de la modélisation théorique des systèmes devraient permettre de mieux comprendre ces phénomènes.

Les molécules intervenant dans le développement du cerveau

Au cours des années 1980, trois découvertes sont venues éclairer les mécanismes qui président au commencement et au développement des différentes étapes du programme: les facteurs de croissance, les molécules d'adhésion et les gènes homéotiques. C'est la combinaison de ces éléments et d'autres – qui restent probablement à découvrir – ainsi que leur enchaînement au cours du temps qui déterminent l'entrée dans chaque étape et sa réalisation.

Schématiquement, les gènes homéotiques constituent une famille présentant une séquence d'ADN commune, l'homéoboîte. L'activation de ces gènes va déterminer le devenir de la cellule, neurone ou cellule gliale, neurone du mésencéphale ou neurone du cortex cérébral, selon un programme, ou enchaînement, spécifique de l'espèce.

Les molécules d'adhésion vont permettre aux cellules de même nature de se reconnaître entre elles, de se regrouper et de délimiter des structures.

Enfin, les facteurs de croissance sont les molécules chimiques privilégiées de communication entre les cellules au cours du développement. Le rôle de ces molécules, présentes à un faible niveau dans le cerveau adulte, est mal connu mais pourrait être nécessaire à la survie de certains neurones.

Les mouvements animant les cellules cérébrales

Grâce à des marqueurs radioactifs telle la thymidine tritiée, le processus de mise en place des cellules cérébrales a pu être suivi. Les grands neurones qui envoient des prolongements à distance sont formés avant les petits. Dans le cortex cérébral, les premières cellules à arrêter leur division sont situées dans la couche la plus profonde, et plus les autres cellules l'arrêtent tardivement plus elles occupent des couches superficielles; il existe donc une phase de migration.

Au début des années 1970, P. Rakic a particulièrement bien décrit, pour le cortex cérébral, la séquence d'événements durant cette migration, et sa démonstration a depuis été étendue à l'ensemble du système nerveux. Comment un neurone «sait»-il se diriger et s'arrêter pour former un agrégat? Certaines cellules gliales spécialisées (glie radiaire) forment des sortes de rails qui guident les neurones vers leur place définitive. Chez des souris mutantes, où la glie radiaire dégénère précocement, la migration neuronale est anarchique.

Il existe, enfin, des périodes critiques pour la mise en place d'une connexion donnée. D. Hubel et T. Wiesel ont montré, par exemple, que les circuits qui permettent la vision dépendent étroitement de l'activité de l'œil pendant les premiers jours du nouveau-né. Une privation de lumière au cours de cette période provoque la perte de la capacité visuelle, alors même que la rétine et tout l'appareil perceptif sont intacts. La même privation quelques jours plus tard est sans effet, la période critique de stabilisation du circuit étant passée.

Le contrôle du milieu intérieur par le cerveau

L'une des fonctions essentielles du cerveau est le contrôle de la stabilité du milieu intérieur (maintien des volumes, régulation des composants), mais aussi de la stabilité de la température à 37 °C. L'homéostasie est ainsi contrôlée par une petite région située à la base du cerveau, l'hypothalamus, qui agit en liaison avec d'autres structures cérébrales, en particulier le système limbique et le cortex. Ayant sous sa dépendance les différentes fonctions endocrines et le système nerveux végétatif, l'hypothalamus agit directement pour maintenir constants les paramètres intérieurs. Son action est aussi indirecte, par l'intermédiaire des émotions et de conduites visant à la satisfaction de certains besoins.

Le rôle de l'hypothalamus

L'hypothalamus est lui-même un ensemble constitué de plusieurs amas de neurones, dont chacun est plus particulièrement responsable d'une fonction. Un premier ensemble de fonctions essentielles est le contrôle d'une petite glande appendue à la base du crâne: l'hypophyse. À travers elle, l'hypothalamus contrôle l'activité des différentes glandes endocrines, depuis la thyroïde jusqu'à la surrénale en passant par les glandes sexuelles, ovaires et testicules. Pour ce faire, l'hypothalamus communique par l'envoi de petits peptides, les «releasing factors», qui agissent sur l'un des huit types de cellules de la glande hypophysaire. Il contrôle également directement la réabsorption du sel par le rein grâce à la vasopressine que sa partie postérieure sécrète.

L'hypothalamus est aussi à l'origine des comportements et conduites dictés par la faim ou la soif. Lorsque les capteurs situés en son sein ou en périphérie, dans le système digestif par exemple, indiquent une diminution importante des réserves énergétiques, il active un ensemble de relais qui conduisent simultanément à la mobilisation des réserves de l'organisme et à un comportement de prise alimentaire selon des conduites élaborées au niveau du système limbique puis du cortex cérébral; les neurotransmetteurs impliqués commencent à être connus.

Le système limbique

Le terme de «système limbique» est dérivé de la description par Paul Broca d'un lobe situé en bordure intérieure des hémisphères cérébraux. En fait, notre notion actuelle du système repose sur les travaux des Américains J. Papez puis MacLean, qui mettent en évidence un circuit complexe, très ancien en termes d'évolution des espèces, impliqué dans la naissance et l'expression des émotions.

Anatomiquement, il s'agit d'une boucle qui entoure le troisième ventricule et relie des ensembles de neurones aux noms étranges: tubercules mamillaires, amygdale, hippocampe, habénula, accumbens, strie terminale, etc. Le plus important est de savoir que ces ensembles sont intimement connectés et reçoivent de multiples informations venant de tout le système nerveux, et plus particulièrement du cortex cérébral et de l'hypothalamus.

Élaboration des comportements instinctifs

En retour, c'est au niveau de ce circuit complexe que s'élaborent certains comportements «instinctifs», comme l'agressivité ou la fuite, mais également des sensations telles que le plaisir, ou, en d'autres termes, la satiété et le contentement. Il existe également une étroite coopération entre le système limbique et l'hypothalamus dans la naissance, le développement et l'élaboration des conduites sexuelles.

L'hippocampe

Le système limbique, et plus particulièrement l'hippocampe, situé dans la partie interne du lobe temporal, est également un relais essentiel des phénomènes d'apprentissage et de récupération des informations stockées en mémoire. Sa destruction entraîne une perte irréparable de ces deux fonctions. Par ailleurs, il est connu que la qualité de l'apprentissage et de la remémoration est liée aux affects associés aux circonstances de leurs acquisitions: on se rappelle mieux un événement fort, qu'il soit du domaine du plaisir ou de la douleur.

L'ensemble hypothalamus-système limbique, souvent considéré comme le cerveau primitif, préside à un grand répertoire de situations et de conduites allant de la faim à la fuite, en passant par la peur et l'attaque. Il arrive toutefois un moment où ces conduites entraînent une interaction avec le milieu extérieur. Chez la plupart des animaux, et particulièrement chez les mammifères, le développement du cortex cérébral correspond à la possibilité de maîtriser les conduites instinctives. Cela permet de les différer dans le temps et d'élaborer ainsi les stratégies d'une meilleure satisfaction des besoins.

Chacun de nos comportements relève d'une fonction du cerveau. L'esprit, la conscience, la pensée sont des aspects de l'activité cérébrale, comme le sont les actions de courir, de sourire, d'apprendre ou de souffrir. Inversement, les troubles des émotions, de la pensée ou des fonctions perceptives et motrices caractérisent les maladies psychiques et neurologiques et résultent souvent de lésions, fonctionnelles ou organiques, du cerveau. Quelles règles lient l'anatomie et la physiologie du cerveau aux actions de percevoir ou d'agir? Cette frontière de la connaissance de l'homme par lui-même est l'un des enjeux majeurs des neurosciences.

Le cerveau, objet de mythes, de légendes et de mystères, est depuis longtemps le sujet de recherches. C'est un organe comme le cœur, le foie ou le rein. Certes, son organisation est d'une complexité sans égale, mais comme tous les tissus il est composé de cellules, qui fonctionnent selon les lois communes à toutes les cellules. C'est leur spécialisation et leur organisation en réseaux qui déterminent la spécificité du cerveau et font de lui l'organe de la perception et de l'action, de la pensée et de la communication. Chez l'animal comme chez l'homme, il met en relation le monde intérieur et le monde extérieur.

Description anatomique du cerveau

Situé dans le crâne, le cerveau est protégé par les trois membranes constituant les méninges: la dure-mère, l'arachnoïde et la pie-mère. Il est partagé en deux hémisphères cérébraux, chacun étant lui-même divisé en quatre lobes (frontal, temporal, pariétal et occipital), par trois sillons accentués; les deux hémisphères sont reliés grâce aux corps calleux. Le thalamus, l'hypothalamus et l'hypophyse constitutent le cerveau antérieur. Le tronc cérébral, prolongement de la moelle épinière dans le crâne, est formé du pont de Varole et du bulbe rachidien. À la base postérieure du crâne, au-dessous des hémisphères, le cervelet contrôle les activités motrices commandées par le cerveau.

L'anatomie du cerveau

Organe «noble», le cerveau, pour un poids moyen de 1 500 g chez un homme adulte, soit 2 % environ du poids corporel, utilise 20 % de l'énergie quotidiennement produite.

Les cellules des tissus cérébraux

Cette énergie est nécessaire au fonctionnement de plus de 100 milliards de cellules, entre 200 et 500 milliards selon les estimations les plus fiables, qui composent le cerveau: 10 à 20 % sont des neurones, cellules qui supportent et transmettent l'information; 40 % sont des astrocytes, cellules gliales impliquées dans le stockage et la libération du glucose destiné aux neurones, ainsi que dans de nombreuses autres fonctions encore mal connues; 20 % sont des oligodendrocytes, cellules responsables de la synthèse de la myéline, une gaine protéolipidique entourant tel un manchon la fibre principale (axone) de nombreux neurones, permettant ainsi une transmission de l'influx nerveux accélérée de 100 fois; les 20 à 30 % restants sont composés de multiples types cellulaires, telles les cellules microgliales, support du système immunitaire spécifique du système nerveux central, ou les cellules endothéliales, qui forment les vaisseaux sanguins cérébraux et établissent une barrière hémato-encéphalique particulièrement étanche entre le système nerveux et le reste de l'organisme.

Les cellules gliales

Il s'agit là d'approximations globales, et la proportion des différents types cellulaires varie selon les régions du cerveau. Par exemple, la densité des corps cellulaires et des fibres des neurones est forte au sein de la substance grise qui constitue l'écorce des hémisphères cérébraux, ou noyaux gris centraux, tandis que la substance blanche sous-corticale tire son nom d'une composition restreinte aux oligodendrocytes, aux astrocytes et aux faisceaux de fibres neuronales.

Les régions intervenant dans l'activité cérébrale

Les neurones et les cellules gliales sont donc les unités de base du cerveau. Ils s'assemblent en sous-ensembles qui déterminent l'activité cérébrale. Sur un plan anatomique, on peut diviser le système nerveux central en moelle épinière et cerveau.

Le cerveau comprend alors les hémisphères, symétriques et séparés par un profond sillon central, le cervelet, situé en arrière des hémisphères, et le tronc cérébral, qui relie ces structures à la moelle épinière.

L'ensemble est en suspension dans le liquide céphalo-rachidien (LCR), ce qui d'une part annule la masse apparente du cerveau (principe de la poussée d'Archimède) et d'autre part le protège des chocs légers contre la cavité dure qui l'abrite, le crâne. Le LCR, qui circule également au centre du cerveau par une série de cavités communicantes, ou ventricules, en sort par les trous de Monro et de Luschka et repasse autour du cerveau et de la moelle avant d'être résorbé. Ce liquide se renouvelle continuellement, et son prélèvement par ponction lombaire fournit de précieuses indications sur l'état du système nerveux central, en particulier lors d'épisodes infectieux ou inflammatoires.

Les moyens d'étude du cerveau

L'étude d'un organe tel que le cerveau nécessite d'envisager d'abord le niveau de complexité auquel on s'intéresse. À l'échelle moléculaire et cellulaire, les cellules nerveuses expriment toute une gamme de spécificités qu'il s'agit de mettre en évidence. Ainsi, la transmission de l'information par les neurones se fait sous forme d'influx électrique, le plus souvent depuis le corps cellulaire du neurone vers ses extrémités, converti en un signal chimique dans l'espace situé entre deux neurones, la synapse. L'étude de plusieurs neurones impliqués dans une même fonction fait passer à l'échelle de réseau, ou circuit, puis à une action spécialisée du cerveau, comme les mécanismes de l'apprentissage et de la mémoire, si l'analyse porte sur le circuit septo-hippocampique. Les méthodes et les concepts utilisés sont différents selon que l'on s'intéresse à une molécule (biologie moléculaire) ou à une fonction (psychologie).

Traditionnellement, les deux grandes branches complémentaires de la neurobiologie sont l'anatomie et la physiologie. La première décrit les différents éléments du cerveau et la façon dont ils sont assemblés, la seconde cherche à savoir comment ils fonctionnent. En fait, les techniques actuelles rendent assez artificielles et caduques ces distinctions. Il n'est toutefois pas sans intérêt de retracer quelques-unes des étapes fondamentales par lesquelles s'est construite la connaissance de la structure du cerveau.

L'évolution des études anatomiques du cerveau

Les techniques de dissection et d'analyse à l'œil nu du cerveau existent depuis les travaux de l'école d'Alexandrie (Hérophile, Érasistrate) au III^e siècle av. J.-C. Dès cette époque sont décrits les hémisphères avec leurs cavités (les ventricules) et les circonvolutions qui plissent leur surface. Ces travaux vont bouleverser la conception du corps humain jusque-là fondée, depuis Aristote et Hippocrate, sur l'idée que le cœur est le siège de la pensée, de l'action et le chef d'orchestre du corps. Hérophile montre que les nerfs sont distincts des vaisseaux et qu'ils sont issus du cerveau et de la moelle épinière. Les médecins de l'Antiquité décrivent également des nerfs «du mouvement» et «de la sensation». Enfin, observant que le cerveau humain est plus riche en circonvolutions que celui des animaux, ils suggèrent que le cortex cérébral pourrait être le siège de l'intelligence. Il faudra vingt siècles à l'Europe pour retrouver puis dépasser ces connaissances.

Les neurones vus au microscope

C'est à la fin du XIX^e siècle que les neuroanatomistes établissent que le neurone est l'unité fonctionnelle fondamentale du système nerveux, grâce à deux avancées technologiques: le microscope et la coloration argentique. Un neurone est une sorte de pieuvre dont le corps ne mesure pas plus de 10 à 20 Ym mais qui étale des «tentacules», axones ou dendrites, jusqu'à 1 m de distance. De plus, les ramifications des différents neurones s'enchevêtrent pour former un feutrage dense et indistinct quand tous les neurones sont colorés.

Camillo Golgi, professeur d'histologie et de pathologie générale à l'université de Pavie (Italie), découvre vers 1875 une méthode, inspirée de la photographie, qui utilise le nitrate d'argent pour colorer une petite partie des neurones. Au microscope, chaque cellule colorée en surface devient ainsi distinguable du tissu environnant. Il était dès lors possible de dresser un catalogue des différents neurones et de leur organisation. Ce fut l'œuvre immense de Santiago Ramón y Cajal, qui fait encore souvent référence aujourd'hui, en particulier le classique Histologie du système nerveux de l'homme et des vertébrés (1904).

L'architecture du cerveau selon Cajal

Jusqu'à Cajal, les «réticularistes», pour lesquels les cellules nerveuses sont soudées les unes aux autres en un réseau continu, s'opposaient aux «cellularistes», selon lesquels chaque cellule nerveuse est individualisée. La seconde théorie n'expliquait pas le passage de l'information d'une cellule à l'autre. Cajal démontra sans ambiguïté cette individualité et l'existence d'une structure spécialisée au niveau de laquelle se font les échanges entre cellules, la synapse. De plus, par un travail expérimental immense, il put décrire une véritable architecture du cerveau mettant en évidence des séries d'interconnexions entre différentes régions et les circuits par lesquels se font ces liaisons.

Les techniques modernes d'exploration du cerveau

Si, au cours du XX^e siècle, les méthodes neuroanatomiques ont peu varié, depuis 1950 elles se sont affinées à une vitesse impressionnante. Ici encore le progrès technologique est venu ouvrir de nouveaux horizons.

Les méthodes de coloration après destruction sélective ont montré des terminaisons nerveuses à de grandes distances du corps cellulaire; puis les techniques ont utilisé les processus du transport d'acides aminés radioactifs, d'enzymes telles que la peroxydase du raifort (plante vivace) ou encore de virus. Ainsi, aujourd'hui encore de nouvelles connexions entre les régions cérébrale