Le cerveau de cristal – Denis le Bihan – 2012

le bihan

 

Le postulat d’un fonctionnement régional du cerveau est aujourd’hui complètement établi.  L’air de Broca a un rôle dans la production du langage mais d’autres zones sont aussi importantes. La 2nd grande découverte de Broca est la spécialisation des hémisphère.

Alors que certaines zones du cerveau sont souvent atteintes, d’autres ne le sont presque jamais. Ceci s’explique par le fait que nombre de lésions sont d’origine vasculaire et que certains vaisseaux sont plus exposés que d’autres.

L’influx nerveux qui permet aux neurones de communiquer entre eux, repose sur des mouvement d’ions (atomes ayant perdu leur neutralité électrique) comme le sodium, le potassium ou la calcium.

L’IRM utilise des champs magnétiques et des ondes radio. Le noyau le plus simple est constitué d’un seul proton. C’est le noyau de l’atome d’hydrogène qui va être le héros (avec la molécules d’eau qui s’y trouve) de ce livre. Placé dans un champs magnétique le proton s’aimante, il s’oriente dans la direction du champs. Dans le champ terrestre, a 37° on trouve a peu près le même nombre de protons orientés dans chaque sens, la différence étant de 2 sur un milliard. Avec des champs magnétique élevé cette différence augmente – jusqu’à 50 ou 100 par milliard – et cela commence a être raisonnable.

En pratique, l’examen par IRM consiste a envoyer des petites bouffées d’ondes radio aux noyaux d’hydrogène du cerveau, puis a écouter les signaux réémis par ces noyaux, pendant qu’en alternance des impulsions de courant sont envoyés pour localiser à l’intérieur du cerveaux la source des signaux.

Les rayons X interagissent avec les électrons des atomes, et l’os est très riche en calcium qui, avec ses 40 électrons, attenue fortement les rayons X.

Le contraste incroyable que l’on peut voir dans les tissus provient principalement de la difference des temps de relaxation entre les tissus, en fonction de leur composition (et notamment la quantité d’eau qu’ils abritent).

Plus que la quantité de neurones, c’est le nombre de leur connections qui est le paramètre le plus important. C’est pour accommoder ce nombre considérable de neurones et de connexions que notre cerveau est aussi plissé. C’est neurones sont repartis sur le ruban superficiel de 2 a 4 millimètres d’épaisseur qui forme le cortex cérébral. Il s’agit de la matière grise.

L’hippocampe est une structure complexe impliquée entre autres dans la mémoire a court terme. Or les neurones qui s’y trouve sont sensible au cortisol, hormone secrétée au cours du stress qui les « fusille » littéralement. La destruction de ses neurones par le stress permettant d’éviter la mémorisation des conditions vécues lors du stress associé à des évènements graves (accidents, faits de guerre, viol)

Nous n’avons qu’une vingtaine de millier de genes (un grain de riz en a 40,000). Ces gènes ne peuvent rendre compte de nos 100 milliard de neurones et 100 million de milliard de connections. Ils ont s’en doute un rôle dans la structuration, l’organisation, l’architecture fonctionnelle du cerveau.

Et l’on développe bien son cerveau en fonction de ce que l’on veut en faire. Si la phrénologie est allé trop loin c’est que ces hypertrophies sont infimes, tout juste détectables par un ordinateur et insuffisante pour imprimer leur relief sur l’os du crâne.

Il vaut mieux apprendre le piano a 5ans qu’a 70 ans, même si on peut apprendre a tout âge. Les régions lié au langage sont très plastique encore après 40 ans. Jongler s’apprend en quelque semaine, le cerveau changeant sa structure de façon significative..

L’imagerie révèle que l’éducation bouleverse l’organisation fonctionnelle du cerveau mais suggère aussi des pistes pour développer des méthodes d’enseignement adaptées.

Les régions cérébrales actives voient le débit sanguin dans les vaisseaux qui les irriguent augmenter.

Région de Broca pour la production du langage, région de Wernicke pour sa compréhension.

PET scan : l’eau est rendu radioactive avec un cyclotron et est injecte au patient (elle ne reste radioactive que quelques minutes (demi vie de 2 minutes). Le noyau devient instable et cherche a retrouver un équilibre, ce qu’il fait en transformant un de ses protons en neutrons et en éjectant au passage un positon (un antiélectron).  La lumière émise par la désintégration du positon et de l’électron (voler a un noyaux a proximité) correspond a la création dans deux directions opposées de deux photons (rayon gamma) d’énergie bien précise (extrêmement faible mais détectable).

P71 avec l’IRM le traceur est l’hémoglobine du sang qui s’oxygène et se désoxygène entre les poumons et le cerveau. Quelle différence avec l’eau radioactive utilisée par le TEP. L’IRM permet d’observer l’état d’aimantation des protons de l’eau et son évolution au gré de l’activation cérébrale et des variations du débit sanguin qui l’accompagne.

Tout notre corps est en effet représente de manière très ordonnée a la surface de notre cerveau – dans le lobe frontal. …cette hyper-représentation de la main dans le cortex, permise par la position debout qui a libéré la main, est propre à l’homme et s’est accentué au cours de l’évolution de l’espèce humaine. Ce qui a permis à l’homme d’acquérir son adresse manuelle et donc de fabriquer des outils, dessiner, écrire – Anaxagore (maitre de Platon) « l’homme pense parce qu’il a une main ». La région correspond à la face et la bouche est encore plus développée, l’expression du visage étant un moyen de communication extrêmement important (la bouche étant importante pour le langage). En cuisant les aliments, les muscles qui animent les mâchoires ont pu laisser place à des structures plus légères qui ont permis le langage. Ceci reste à confirmer…

Il est très difficile de conclure à l’absence d’activation quand une région ne s’allume pas dans les images à la suite d’une stimulation. Défauts des images, augmentation du bruit, fluctuation du signal peut masquer les petits changements d’aimantation.

Avec l’IRM fonctionnel il devient possible de voir penser le cerveau. On peut maintenant enregistrer des images correspondant a des activations uniques, comme celle correspondant au simple clic sur une souris.

Certains scientifiques pensent qu’il existe des neurones très spécialisés dans la détection des d’objets ou de personnes, certaines régions cérébrales détectant spécifiquement les animaux, d’autres les visages humains et d’autres les mots.

Avec l’IRMf le seul fait de penser, d’imaginer, suffit a changer l’aimantation de l’eau (via les changements d’oxygénation de l’hémoglobine du sang dans les vaisseaux irriguant cette région cérébrale).

Quand on demande a des aveugles de lire des caractères braille, leurs regions visuelles primaires sont activées.

Toyota a conçu une chaise roulante pour handicapés pilotée par la pensée, prélude a une télécommande mentale. On n’utilise plus pour cela l’IRM, trop encombrant, mais les ondes électriques émises par le cerveau et captées par des électrodes disposées sur une casque.

Il suffit d’inventer un critère de leur choix qui puisse être contrôlé à volonté en intensité par la pensée. Ce peut être d’imaginer un rouge plus ou moins intense, ou un son plus ou moins fort.

Une région cérébrale peut apprendre a utiliser un signal nouveau : cette reprogrammation cérébrale peut être utile en particulier si une région de notre cerveau a été détruite du fait d’une pathologie ou d’un accident.

On peut ainsi contrôler le niveau d’activation du cortex cingulaire antérieur rostral, région connue pour la perception et la régulation de la douleur, en montrant au patient une image de flamme dont l’intensité reflétait le niveau d’activation du cortex cingulaire. Au bout de quelques minutes les patients peuvent réguler la flamme – et la douleur – par la pensée. Le patient observe directement son propre cerveau (et non plus au travers des mots du psychiatre par exemple).

Ces bouliers ont tellement imprégné la vie des enfants (asiatiques) a l’âge ou la plasticité cérébrale est la plus grande, qu’ils utilisent mentalement leur boulier dans les calculs mental, ce qui les rend souvent beaucoup plus performant que nous.

Pour les personnes réellement bilingues, quand on leur demande de penser a des mots dans un langue, puis dans l’autre, la même localisation dans la région de Broca s’active quelque soit la langue. Pour la plupart d’entre nous, qui ont appris une langue étrangère plus tard, on s’aperçoit qu’il existe 2 aires de Broca, très proches, mais néanmoins différentes pour chaque langue.

On a les moyens de faire entendre et faire parler un cerveau, éventuellement contre son grès : on fait écouter des textes lus dans différentes langues et la région temporo-pariétale gauche ne s’active que lorsque la langue est comprise, et reste muette dans le cas contraire.

La musique occidentale repose sur des gammes construites avec des intervalles bien définis. Ils semblent que ces règles existent bien au fond de notre cerveau. Le frison ressenti par les mélomanes provient de l’activation des centres de récompense, de la motivation et du plaisir, zone également activées par le chocolat, le sexe et certaines drogues (cocaine).

La lecture fait apparaitre des spécificités dans certaines régions cérébrales, comme pour la reconnaissance des mots, parfois au dépend d’autres régions qui se trouvent déplacées, comme celle de la reconnaissance des visages.

Notre statut socio-économique a aussi un profond impact sur le fonctionnement et la structure de notre cerveau. Les différences, modérées mais significatives, existent avec les enfants de plus haut niveau sociaux économiques plus latéralisés à gauche. (Pas d’explication donnée)

Neuroéconomie : 15 compagnies revendiquent l’utilisation de l’IRMf pour tester leur produit et méthode de vente. L’activation du noyau accumbens (sensible a la préférence du produit) et l’inhibition de l’insula (sensible au prix excessif) prédisent un achat par le sujet.

Face a la figure ambiguë représente un verre ou deux visages, Il semble que le visage soit reconnu lorsque la région sensible à la reconnaissance des visages a été pré-activée. Dans le cas contraire on perçoit un verre…La prise de conscience à un moment donné d’un évènement, dépend donc de l’état dans lequel se trouve notre cerveau à cet instant.

Cette femme, pourtant dans un état végétatif complet, comprend ce qu’on lui dit et est capable de répondre mentalement, aucun mouvement de sa bouche ou de son corps n’étant possible.

Google Scholar, le Google des  chercheurs.

Les cellules les plus gourmandes en énergie sont justement les cellules cancéreuses.

Grace aux images en 3 dimensions du cerveau et des fibres qui le constitue, on dispose d’information sur le câblage intracérébral et peut être un jour parviendra-t-on en plus a capter l’information qui circule dans ces fibres. …Il semble exister des nœuds, des points de convergence et on réalise aujourd’hui que nombre de pathologies cérébrales sont en fait des anomalies de connexions (schizophrénie).

Les maladies psychiatriques ont commencé à être remboursées par les assurances à partir de 2008, les législateurs ayant été convaincus par les images IRM de l’origine biologique de ces affections, de la possibilité d’en faire un diagnostic et de leur apporter un traitement.

Schizophrénie : la majorité des patients entendent des voix.  L’IRMf révèle que le cortex auditif est effectivement activé (mais on sait que le simple fait de penser active les régions qui servent a la perception lorsqu’on ressent des impressions).S’il y a un retard trop important entre la production interne de la voix et sa perception ou réverbérations par les régions auditives, l’impression soit donnée au patient que la voix vient d’ailleurs.

Dyslexie : les fibres de connexions dans la région temporo-pariétale (lié à l’audition et au langage) y sont mal organises ou moins efficaces.

Apprentissage du piano laisse des traces dans le cerveau des pianistes et est corrélé au nombre d’heure de pratique. Par exemple l’isthme du corps calleux (qui relie les deux hémisphères et joue un rôle fondamentale dans la coordination bi manuelle) se développe plus lorsqu’on est jeune. Compare au nombre d’heure de pratique avant 11 ans, il faut le double d’heure de 12-16 ans et 10 fois plus au-delà de 17 ans pour modifier le cerveau en conséquence et répondre au besoin du pianiste.

Limitation de l’IRMf : sa lenteur, il faut plusieurs seconde ( a peu pres 6) après le début de l’activation neuronale pour que le changement de débit sanguin atteigne son pic. Or notre cerveau travaille plus rapidement que cela… ensuite son imprécision spatiale : les vaisseaux irriguent des territoires dont la taille est de l’ordre de quelques millimètres, bien au-delà des unités fonctionnelles neuronales dont la taille est de l’ordre d’une fraction de millimètre.

Mes travaux suggèrent qu’il existe deux type d’eau dans les tissus, une eau a diffusion rapide (2 a 3 fois moins la diffusion normal dans un verre d’eau a 37°C) et un eau a diffusion lente (10 a 12 fois moins que l’eau libre). L’origine de ces deux types d’eau est peu claire.

La structure vraisemblablement au cœur de la modulation du processus de diffusion serait la membrane cellulaire. Cette membrane de moins d’un millième de millimètre, est constituée de deux couches de graisse dans lesquelles flottent des protéines. Cette membrane laisse passer de façon sélective des ions par des sortes de canaux et la nature a doté les canaux de pompes qui permettent d’accélérer les échanges entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule.

A cause de l’angle de 104.5°, les deux charges positives portées par les 2 atomes d’hydrogène et les deux charges négatives de l’atome d’oxygène se trouve au deux extrémités, la molécule d’eau devient un dipôle électrique. Les molécules s’attirent les unes les autres formant la « liaison hydrogène » découverte en 1920. Comme les molecules d’eau peuvent perdre 2 atome d’hydrogène et en gagner deux via l’atome d’oxygène, elles sont regroupées en moyenne par quatre, et le reseau de l’eau est tétraédrique. Ce réseau a toutefois de nombreux défauts, ce qui donne des arrangements a 3 ou 5, 2 ou 6 molécules. Cette variabilité empêche l’eau de se structurer sur une grande distance et la maintien liquide à température ambiante.

En fait la forme géométrique des protéines, qui est directement liée à leur fonction, est déterminée par les couches de molécule d’eau qui les tapissent.

Dans leur dense réseau moléculaire on conçoit que les molécules d’eau aient du mal a se déplacer rapidement. C’est la présence de défaut qui permet la rapidité de diffusion. Et moins il y a défaut et plus la diffusion est lente.

Ce qui change dans la cellule c’est la milieu, ce qui se trouve dans le maille du réseau d’eau. On trouve des macromolécules qui ralentissent le mouvement de l’eau, les molécules restant collées aux protéines un court instant et devant de déplacer en contournant ces macromolécules.

Les mouvement d’eau a travers la membrane sont le fait de canaux qui lui sont propres : les aqua porines. L’aquaporine 4 (il y a 13 sortes d’aquaporine) réoriente les molécules d’eau individuellement pour qu’elle n’établissent pas de liaison hydrogène.  En fonction du nombre de molecules qui entrent et qui sortent, le volume de la cellule varie. Certains médicaments antiépileptiques ou contre la migraine agissent en bloquant les aquaporines, ce qui souligne leur importance.

On commence a percevoir pourquoi l’augmentation du débit sanguin – supposée apporter de l’énergie au tissu activé – n’a pas besoin d’être très rapide. Ce n’est pas l’activation neuronale qui consommerait de l’énergie, mais la remise en état du système après activation.

Quand l’eau d’un lac gèle de la chaleur est produite. Quand le gel menace les oranges, les producteurs d’oranges aspergent le sol d’eau. En gelant, l’eau libère de la chaleur, qui protège les oranges.

Le traceur doit pouvoir entre dans le cerveau, c’est-à-dire passer des vaisseaux sanguins au tissu cérébral. Or le cerveau ne laisse pas passer grand-chose : c’est la barrière sang-cerveau, sensible a d’infime concentrations de molécules, surtout si ce sont des neurotransmetteurs.

On peut trouver des images de collections d’objects ayant été un peu trop pres de l’aimant – la force n’est pas lineaire, l’object part d’un seul coup.