neuroscience: science of the brain in french

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Neuroscience: The Science of the Brian This is the French language translation of the public education booklet. This translation was made for IBRO by: Thierry Charlier, Canadian Institutes for Health Research, University of British Columbia, Canada Christian Barrette,Ottawa (Ontario) K1W 1B3, Canada. Isabelle VIirard, Royal College of Surgeons in Ireland, Dept of Physiology and Medical Physics, Dublin, Ireland Dorothy Barthelemy, Department of Medical Physiology, University of Copenhagen Panum Institute, Copenhagen, Denmark Catherine Montagnese, Department of Anatomy Semmelweis University Medical School Budapest, Hungary Jean Christophe Houzel, Laboratrio de Fronteiras em Neurocincias Departamento de Anatomia, Instituto de Cincias Biomdicas (ICB),Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Brasil. The British Neuroscience Association (BNA) commissioned the booklet for the purposes of teaching young people in the UK about their Brain and Neuroscience the science of the brain. The booklet contains short explanatory chapters on different subjects written by experts in each topic. The original booklet was published in 2004. In 2005 the International Brain Research Organisation (IBRO) purchased the copyright of the booklet. We have commissioned members of our organisation to translate the booklet in multiple languages. In addition to the French version that you are now reading the booklet is available in a further sixteen languages also contained on this CDROM.

We hope that you will use these translations for the purpose of improving public understanding and awareness of the brain and the importance of brain research. IBRO and the BNA are happy for you to make printed copies or clone theses PDFfiles. However this should not be done for profit. For more information please read the additional information that is appended at the end of the booklet.

Contents Pages 2-59: Neuroscience The Science of the Brain (French version) Page 60-70: Additional information (French version). An introduction to IBRO and the CDROM:


NEUROSCIENCES

LES SCIENCES DU CERVEAUUNE INTRODUCTION POUR LE GRAND PUBLIC

British Neuroscience Association European Dana Alliance for the Brain


Ce livret a t prpar et dit, sous l'gide de lAssociation Britannique des Neurosciences et de l'Alliance Europenne Dana pour le Cerveau, par Richard Morris (Universit de Edinburgh) et Marianne Fillenz (Universit dOxford). La conception graphique est de Jane Grainger (Grainger Dunsmore Design Studio, Edinburgh). Nous remercions la contribution de nos collgues du Dpartement de Neurosciences, spcialement Victoria Gill, et d'autres membres de la communaut neuroscientifique d'Edinburgh. Nous remercions galement les membres du Dpartement de Physiologie de l'Universit dOxford, en particulier Colin Blakemore, et de nombreux collgues dautres institutions. Vous trouverez la liste de leurs noms en dernire page de couverture. La British Neuroscience Association (BNA, Association Britannique des Neurosciences) est constitue par le corps professionnel des neuroscientifiques du Royaume Uni, et vise contribuer une meilleure comprhension du fonctionnement du systme nerveux et des maladies crbrales. Elle regroupe des scientifiques tablis qui occupent des postes dans des Universits et des Centres de Recherche et des tudiants de second et troisime cycle. Les runions annuelles de la BNA, tenues gnralement au printemps, sont loccasion dun forum pour la prsentation des dernires avances en recherche. De nombreux groupes locaux, dissmins dans le pays, organisent de frquents sminaires, et des activits destines au grand public, comme des visites scolaires ou des expositions dans des muses locaux. Pour de plus dinformations consulter le site http://www.bna.org.uk/. L'objectif de lEuropean Dana Alliance for the Brain (EDAB, Alliance Europenne Dana pour le Cerveau) est d'informer le grand public et les dcideurs sur l'importance des recherches sur le cerveau. LEDAB vise populariser la notion que les neurosciences apportent des bnfices particuliers et publics, et diffuser les connaissances sur le cerveau, sain et malade, d'une manire accessible et pertinente. Les troubles neurologiques et psychiatriques affectent des millions de personnes de tous ges, et ont un impact svre sur lconomie nationale. Pour palier ces problmes, 70 neuroscientifiques europens de renom ont sign, en 1997, la Dclaration des Objectifs de Recherches Accessibles, et se sont engags travailler pour aider la prise de conscience du public sur les troubles crbraux et l'importance des neurosciences. Depuis, de nombreux autres scientifiques ont t lus, qui reprsentent aujourd'hui 24 nations europennes. L'EDAB compte plus de 125 membres. Pour de plus amples informations, consulter le site http://www.edab.net/. En France, la Socit des Neurosciences, qui regroupe plus de 25.000 membres, vise des objectifs similaires. En partenariat avec l'EDAB et la Fdration pour la Recherche sur le Cerveau, elle organise annuellement la Semaine de la Connaissance du Cerveau et la Journe Alfred Fessard. Pour plus dinformations, visitez http://www.neurosciences.asso.fr/ et http://www.frc.asso.fr/.Publi par The British Neuroscience Association The Sherrington Buildings Ashton Street L Liverpool L69 3GE UK Copyright British Neuroscience Association 2003iverpool Les droits de reproduction de ce livret sont rservs. Sujet exceptions statutaires compatibles avec les accords collectifs appropris; aucune partie ne peut tre reproduite sans le consentement crit de la British Neuroscience Association. Premire dition: 2003 ISBN : 0-95452040-8 UK


Neurosciences: les Sciences du Cerveau1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Le systme nerveuxP2

Neurones et potentiel daction P4 Messagers chimiques P7 Drogues et cerveau Toucher et douleur Vision Mouvement Le systme nerveux en dveloppement Dyslexie Plasticit Apprentissage et mmoire Stress Le systme immunitaire Sommeil Imagerie crbraleP9

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l'intrieur de notre crne, pesant peu prs 1,5 kg, se trouve un organe tonnant constitu de milliards de petites cellules. Il nous permet de sentir le monde qui nous entoure, de penser et de parler. Le cerveau humain est l'organe le plus complexe du corps, et probablement la "chose" la plus complexe de la Terre. Ce livret est une introduction destine aux jeunes et au grand public. Dans ce livret, nous dcrivons ce que nous savons du fonctionnement du cerveau, et combien nous devons encore apprendre. L'tude du cerveau engage des scientifiques et des mdecins de disciplines aussi diverses que la biologie molculaire, la psychologie exprimentale, l'anatomie, la physiologie ou la pharmacologie. Leur intrt commun a fait natre une nouvelle discipline: les neurosciences, ou sciences du cerveau.Le cerveau, tel quil est dcrit dans ce livret, peut faire beaucoup de choses, mais pas toutes. Il contient des cellules nerveuses - ses pices de base - qui sont connectes ensemble en rseaux. Ces rseaux sont dans un tat permanent d'activation lectrique et chimique. Le cerveau que nous dcrivons peut voir et sentir. Il peut sentir la douleur, mais ses astuces chimiques aident contrler les effets dsagrables de la douleur. Il possde plusieurs rgions ddies coordonner nos mouvements quand nous entreprenons des actions sophistiques. Un cerveau capable de faire tout cela, et bien plus encore, ne vient videmment pas tout prt: il se dveloppe progressivement. Nous dcrirons quelques-uns des gnes-cls impliqus ici. Lorsquun ou plusieurs de ces gnes va de travers, cela peut provoquer des problmes, comme par exemple la dyslexie. Il y a de grandes ressemblances entre les phnomnes qui aident dvelopper le cerveau, et les mcanismes responsables pour modifier, plus tard, les connexions entre les cellules nerveuses, ce qu'on appelle plasticit neuronale. Cette plasticit est suppose permettre l'apprentissage et la mmoire. Le cerveau de notre livret peut ainsi se souvenir de numros de tlphone ou de ce que tu as fait le Nol pass. Mais, et c'est bien regrettable pour un cerveau qui se souvient des vacances en famille, il ne boit pas et ne s'alimente pas. Notre abord reste donc un peu limit. Mais il stresse, comme nous le faisons tous, et nous aborderons certains des mcanismes hormonaux et molculaires qui conduisent un tat d'angoisse extrme - comme beaucoup dentre nous ressentent au moment des examens. C'est une priode o le sommeil est trs important, et nous laisserons donc notre cerveau se reposer comme il le mrite. Malheureusement, il peut aussi se blesser ou tomber malade.

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Cerveaux artificiels et rseaux de neurones P44 Quand les choses tournent mal Neurothique Formation et CarriresP47

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Suggestions de lecture et remerciements P56

Des techniques nouvelles, comme les lectrodes spciales qui effleurent la surface des cellules, l'imagerie optique, les tomographes ou les puces de silicone avec des circuits crbraux artificiels, sont en train de rvolutionner les neurosciences modernes. Nous vous les prsentons et abordons quelques aspects thiques et implications sociales qui rsultent des neurosciences.

Pour commander des copies supplmentaires: commande en ligne: www.bna.org.uk/publications Courrier: The British Neuroscience Association, c/o: The Sherrington Buildings, Ashton Street, Liverpool L68 3GE, UK Telephone: 44 (0) 151 794 4943/5449 Fax: 44 (0) 794 5516/5


Le systme nerveux

Les neurones possdent une architecture qui comprend un corps cellulaire et deux ensembles de compartiments supplmentaires appels "prolongements". Le premier est form par les axones, dont la tche est de transmettre les informations du neurone vers les autres neurones auxquels celui-ci est connect. Le second ensemble est form par les dendrites, chargs de recevoir les informations transmises par les axones dautres neurones. Ces deux ensembles de prolongements sassocient pour former des contacts spcialiss: les synapses (voir les Chapitres 2 & 3 sur les potentiels d'action et les messagers chimiques). Les neurones, relis les uns aux autres, forment des chanes et des rseaux complexes qui sont les voies de transmision des informations dans le systme nerveux. Systme nerveux central de lhomme, montrant le cerveau et la moelle pinire Le cerveau et la moelle pinire sont connects aux rcepteurs sensoriels et aux muscles par de longs axones qui constituent les nerfs priphriques. La moelle pinire a deux fonctions: elle est le sige de rflexes simples comme l'extension du genou ou le retrait rapide de la main d'une plaque chauffante ou en rponse une piqure daiguille, et de rflexes plus complexes. Elle forme galement une autoroute entre le corps et le cerveau, permettant le trafic d'informations dans les deux sens. Les structures de base du systme nerveux sont les mmes pour tous les vertbrs. Ce qui distingue le cerveau humain, c'est sa grande taille par rapport celle du corps. Ceci est d une augmentation norme du nombre dinterneurones, qui a eu lieu au cours de lvolution, et qui confre aux humains un choix illimit dans leurs ractions face lenvironnement.

Structure de baseLe systme nerveux comprend le cerveau, la moelle pinire et les nerfs priphriques. Il est fait de cellules nerveuses, dnommes neurones, et de cellules de soutien appeles cellules gliales. Il y a trois types principaux de neurones. Les neurones sensoriels sont coupls des rcepteurs spcialiss qui dtectent et rpondent diffrents paramtres de l'environnement interne ou externe. Les rcepteurs sensibles aux changements de lumire, au son, ou aux stimuli mcaniques ou chimiques, sont la base de nos cinq sens: vision, audition, toucher, odorat et got. Lorsqu'un stimulus mcanique, thermique ou chimique atteint notre peau au del d'une certaine intensit, il peut provoquer une lsion des tissus. Des rcepteurs particuliers, appels nocicepteurs, sont alors activs et engendrent la fois des rflexes protecteurs et la sensation de douleur (voir le chapitre 5 sur le toucher et la douleur). Les neurones moteurs, qui contrlent l'activit des muscles, sont chargs de nombreux comportements, y compris la parole. Les interneurones sont intercals entre les neurones sensoriels et les neurones moteurs. Ceux sont de loin les plus nombreux (dans le cerveau humain). Les interneurones permettent des rflexes simples, mais sont aussi responsables des fonctions crbrales les plus leves. On a longtemps pens que les cellules gliales n'avaient qu'un rle de soutien des neurones. Dsormais on a reconnu leur contribution essentielle au dveloppement du systme nerveux et son fonctionnement chez l'adulte. Bien que plus nombreuses que les neurones, elles ne transmettent pas les informations de la mme manire que le font ces derniers.

Anatomie du cerveauLe cerveau comprend essentiellement le tronc crbral et les hmisphres crbraux. Le tronc crbral contient le bulbe, la protubrance annulaire et le msencphale. Le bulbe est une expansion de la moelle pinire. Il contient des rseaux de neurones qui forment les centres de contrle de fonctions vitales comme la respiration ou la rgulation de la pression sanguine. Greff sur le dos de la protubrance annulaire, ou pont, se trouve le cervelet, qui joue lui un rle absolument fondamental pour contrler l'excution prcise des mouvements (voir les chapitres sur le mouvement et la dyslexie). Le msencphale contient divers groupes de neurones, donc chacun parat utiliser prfrentiellement un type messager chimique, mais qui tous envoient des projections jusqu'aux hmisphres crbraux. On pense que ces projections peuvent moduler l'activit neuronale des centres suprieurs du cerveau qui rgulent les fonctions telles que le sommeil, l'attention ou le systme de rcompense.

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Le cerveau humain vu de dessus, de dessous et de ct.

Le prosencphale comprent le diencphale et les hmisphres crbraux. Le diencphale se divise en deux rgions bien diffrentes appeles thalamus et hypothalamus: Le thalamus relaie les influx de tous les systmes sensoriels vers le cortex crbral, qui son tour renvoie des messages vers le thalamus. Ce va-etvient est un aspect intriguant des connexions dans le cerveau: les informations ne suivent pas un trajet unique. L'hypothalamus contrle les fonctions comme manger et boire, et rgule aussi la libration des hormones impliques dans les fonctions sexuelles. Les hmisphres crbraux contiennent un noyau central appell ganglions de la base, et une couche fine et trs tendue de neurones, la substance grise de l'corce crbrale. Les ganglions de la base jouent un rle central dans linitiation et le contrle des mouvements (voir le Chapitre 7 sur le mouvement). Enferm dans l'espace rduit du crne, l'corce crbrale - ou cortex est replie sur elle mme en de nombreuses circonvolutions, qui permettent ainsi de multiplier la surface disponible pour les neurones corticaux. Ce tissu cortical est la rgion la plus dveloppe du cerveau humain quatre fois plus grande que chez les gorilles. Il se divise en un grand nombre d'aires qui diffrent par leurs couches et leurs connexions. La fonction de nombreuses aires corticales est connue par exemple les aires visuelle, auditive, ou olfactive, les aires sensorielles qui reoivent les signaux de la peau (aires somesthsiques) et diverses aires motrices. Les voies de communication entre les rcepteurs sensoriels et le cortex, ou entre le cortex et les muscles sont croises. Ainsi, les mouvements de la moiti droite du corps sont contrls par le ct gauche du cerveau (et vice versa). De la mme faon, la moiti gauche du corps envoie des messages sensoriels vers l'hmisphre droit; par exemple, les sons perus par l'oreille gauche atteignent principalement le cortex droit. Cependant, les deux moitis du cerveau ne travaillent pas isolment, car les hmisphres droit et gauche sont relis par un gros faisceaux de fibres appel corps calleux. Le cortex crbral est indispensable aux actions volontaires, au langage, la parole et aux fonctions suprieures telles que penser ou se souvenir. Bien que de nombreuses fonctions soient ralises par les deux moitis du cerveau, certaines sont fortement latralises dans l'un ou l'autre hmisphre. On a pu localiser les rgions impliques dans diverses fonctions suprieures, comme la parole (latralise gauche chez la plupart des gens). Mais il reste beaucoup apprendre, spcialement propos de questions fondamentales comme la conscience. Pour cette raison l'tude des fonctions de l'corce crbrale est un des domaines les plus actifs et les plus excitants des Neurosciences.

Vue latrale du cerveau montrant la division entre les hmisphres crbraux, le tronc crbral, et une expansion de celui-ci, le cervelet Hmisphre crbral Cervelet Tronc crbral

Coupe du cerveau qui montre le thalamus et l'hypothalamus Thalamus Hypothalamus

Coupe du cerveau montrant les ganglions de la base et le corps calleux Hmisphre crbral Corps calleux Ganglions de la base

Le pre des neurosciences modernes: Ramon y Cajal et son microscope, en 1890.

Les premires images de Cajal: des neurones avec leurs dendrites. Les extraordinaires dessins de neurones par Cajal - ceux-ci sont du cervelet.

Liens internet (en anglais) : http://science.howstuffworks.com/brain.htm http://faculty.washington.edu/chudler/neurok.html http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html

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Neurones et potentiels d'actionQu'ils soient petits ou grands, sensoriels ou moteurs, tous les neurones ont une activit qui est la fois lectrique et chimique. Ils cooprent et rivalisent pour contrler l'tat global du systme nerveux, la manire d'employs qui cooprent tout en luttant pour le pouvoir de dcision dans une entreprise. Les axones envoient des signaux chimiques aux dendrites, qui les transforment en signaux lectriques; ces signaux s'additionnent ou se soustraient tous les signaux lectriques des autres synapses, et du rsultat de l'opration dpend la dcision de transmettre ou non le signal vers un autre endroit. Les potentiels lectriques voyagent ensuite le long des axones, jusquaux synapses qui atteignent les dendrites du prochain neurone, processus qui se rpte.motoneurone spinal cellule pyramidale cellule de Purkinje du cervelet

corps cellulaire corps corps axone axone axone

La dynamique des neuronesComme nous venons de le voir, un neurone consiste de dendrites, d'un corps cellulaire et d'un axone munis de terminaisons synaptiques. Cette structure reflte une division fonctionnelle en compartiments spcialiss pour recevoir, intgrer et transmettre. En gros, les dendrites reoivent, le corps intgre et laxone transmet - c'est le concept de polarisation de la transmission, o l'on suppose que l'information va dans un seul sens.dendrites corps cellulaire axone synapse

trois types de neurones Il existe dans les neurones divers compartiments internes, constitus par des protines dont la plupart sont fabriques dans le corps cellulaire et transportes le long du cytosquelette. De petites protubrances, les pines dendritiques bourgeonnent sur les dendrites. C'est l que les axones tablissent la plupart de leurs connexions. Certaines protines, transportes jusqu'aux pines, sont essentielles la cration et au maintien des connexions nerveuses. Ces protines sont en constant renouvellement, remplaces par des nouvelles une fois leur travail termin. Toute cette activit ncessite de l'nergie qui est fournie par des centrales nergtiques, les mitochondries. Celle-ci se trouvent dans la cellule et garantissent son bon fonctionnement. Les terminaisons axonales rpondent aussi des molcules appeles facteurs de croissance. Ces facteurs sont capts par le neurone et transports jusqu'au corps cellulaire, o ils sont capables dinfluencer l'expression des gnes et, ainsi, la fabrication de nouvelles protines. Ceci permet au neurone dallonger des dendrites, ou de raliser d'autres modifications dynamiques de sa forme ou de sa fonction. chaque instant, des informations, des nutriments et des messagers sont donc changs entre les diffrents compartiments.

Rception

Intgration

Transmission

Le concept de neurone Comme toute structure, le neurone est d'un seul tenant. Sa membrane externe, faite de substances lipidiques, entoure un cytosquelette de protines assembles en tubules et filaments, qui s'tirent dans les dendrites et l'axone. Cette structure ressemble une housse tendue sur un squelette tubulaire, comme une tente de camping. Toutes les parties des neurones sont en perptuel mouvement, dans un processus de rorganisation qui reflte l'activit du neurone et celle de ses proches voisins. Les dendrites changent de forme, bourgeonnent de nouvelles connexions tout en liminant d'autres branches. Les axones, quand eux, poussent de nouvelles terminaisons, tandis que notre neurone s'efforce de parler aux autres un peu plus fort ou... un peu plus doucement.

Les pines dendritiques sont de petites protubrances qui bourgeonnent des dendrites dun neurone, ici en vert. C'est l u se trouvent les synapses.

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareRecevoir et dciderLes dendrites de la cellule rceptrice tablissent des contacts troits avec les axones provenant dautres cellules. Un minuscule espace de 20 millionimes de mtre les sparent. Chaque dendrite peut recevoir des contacts dun, d'une poigne, ou de milliers d'autres neurones. Ces points de jonction sont nomms synapses, d'un mot grec ancien qui signifie "s'embrasser". Au niveau de l'corce crbrale, la plupart des synapses sont localises sur les pines

Le potentiel d'actionPour tre transmis entre neurones, le signal nerveux doit d'abord voyager le long de l'axone. Comment cela est-il possible? La rponse se trouve dans une nergie contenue dans des gradients physiques et chimiques, et dans le couplage trs efficace de ces forces. Les axones des neurones transmettent des impulsions lectriques appeles potentiels daction. Ceux-ci voyagent

dendritiques, qui pointent comme autant de petits microphones la recherche de faibles signaux. On appelle la communication entre cellules nerveuses au niveau de ces points de contact, la transmission synaptique. Ce processus implique des mcanismes chimiques qui seront dcrits au prochain chapitre. Au moment o les dendrites reoivent les messagers chimiques bombards r l'axone metteur dans le petit espace qui les spare, des courants lectriques miniatures se forment l'intrieur des pines dendritiques rceptrices. Soit ces courants entrent dans la cellule, et cest une excitation, soit ils sortent de la cellule, cest alors une inhibition. Ces ondes de courant positives et ngative s'accumulent dans les dendrites, puis se propagent jusqu'au corps cellulaire. Si leur somme ne produit pas une activit notable, les courants se dissipent rapidement et rien ne se passe... Mais, au contraire, si la somme de tous les courants dpasse un certain seuil, alors le neurone enverra un message aux neurones suivants. Le neurone est donc une sorte de calculatrice, qui additionne et soustrait en permanence les signaux qu'il reoit des autres neurones. Certaines synapses produisent une excitation, d'autres une inhibition.

le long des fibres nerveuses, la manire d'une vibration qui se propage le long d'une corde. Cela fonctionne car la membrane axonale contient des canaux ioniques qui peuvent s'ouvrir et se fermer pour laisser passer des ions lectriquement chargs. Certains canaux laissent passer les ions sodium (Na+), d'autres les ions potassium (K+). Lorsque ces canaux s'ouvrent, les ions Na+ ou K+ suivent des gradients chimiques et lectrique de sens oppos, et entrent ou sortent de la cellule en rponse la dpolarisation lectrique de la membrane.

La manire dont ces signaux constituent la base de nos sensations, de nos penses et de nos mouvements, dpend troitement du rseaux auxlquels les neurones appartiennent.

Le potentiel daction Le potentiel d'action

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareLorsqu'un potentiel d'action se dclenche dans le corps cellulaire, les canaux Na+ sont les premiers s'ouvrir. Un flux rapide d'ions sodium entre dans la cellule et un nouvel quilibre s'tablit en une milliseconde. En un clair, le potentiel transmembranaire change denviron 100 mV. Il bascule d'un potentiel ngatif (vers -70 mV) l'intrieur de la membrane, vers un potentiel positif (vers +30 mV). Cette oscillation ouvre les canaux K+, et un flux d'ions potassium sort alors de la cellule, presque aussi rapidement que les ions Na+ venaient dy rentrer, ceci induit le retour du potentiel de membrane son niveau original ngatif l'intrieur de la membrane. Le potentiel d'action se termine en moins de temps qu'il nous en faut pour allumer une lampe et l'teindre aussitt. Remarquons que trs peu d'ions traversent la membrane cellulaire au cours de ce processus, la concentration d'ions Na+ et K+ dans le cytoplasme ne changeant pas significativement lors dun potentiel daction. Nanmoins, l'quilibre de ces ions est maintenu en permanence par des pompes ioniques charges dexpulser l'excs d'ions sodium. Cest comme lorsque, sur un voilier dont la coque a une petite fuite, le simple fait d'coper rgulirement avec un seau permet de garantir que la coque rsiste la pression de l'eau sur laquelle l'embarcation flotte. Le potentiel d'action est un phnomne lectrique compliqu. Les fibres nerveuses se comportent comme des conducteurs (bien qu'elles soient bien moins efficaces que des cbles isols), et le potentiel d'action engendr un endroit provoque un nouveau gradient de potentiel entre la rgion active et les portions voisines de la membrane qui sont au repos. De cette faon, le potentiel daction est propuls activement par une onde de dpolarisation qui progresse d'une extrmit l'autre de la fibre nerveuse.Pour mieux saisir l'ide de conduction du potentiel d'action, on peut faire l'analogie avec le transfert d'nergie au long d'une chane de ptards. Le premier allumage dclenche des tincelles fugaces (quivalentes aux ions qui entrent et sortent de l'axone au niveau du potentiel d'action), mais la progression globale de l'onde d'tincelles est bien plus lente. Grce ses proprits exceptionelles, la membrane des fibres nerveuses rcupre ses capacits explosives aprs une trs brve priode de silence (priode rfractaire), sapprtant ainsi propager le potentiel d'action suivant.

Aux frontires de la recherche

Les fibres nerveuse ci-dessus (axones en violet) sont entoures par des cellules de Schwann (en rouge) qui isolent lectriquement l'axone de ses voisins. Les points verts fluorescents montrent un complexe protique dcouvert rcemment. La rupture de ce complexe provoque une maladie hrditaire qui dtruit les muscles. Des recherches rcentes nous informent sur les protines qui constituent la gaine de myline. Cette couverture empche les fuites de courant ioniques mais heureusement les cellules gliales laissent intervalles rguliers quelques espaces dcouverts, o se concentrent les canaux Na+ et K+. Ces amas denses de canaux ioniques fonctionnent comme des amplificateurs qui relvent le potentiel d'action mesure qu'il saute littralement au long du nerf. Et cela peut aller trs vite: dans les axones myliniss, les potentiels d'action peuvent se dplacer la vitesse de 100 mtres par seconde! Une caractristique essentielle des potentiels daction est quils se produisent en tout-ou-rien: ils changent seulement de frquence, jamais de taille. Ainsi, une cellule isole ne peut coder la force ou la dure d'un stimulus quen modifiant la frquence d'mission de ses potentiels d'action. Les axones les plus performants peuvent conduire des trains de potentiels d'action des frquences proches de 1000 par seconde.Alan Hodgkin et Andrew Huxley, du Laboratoire de Biologie Marine de Plymouth dcouvrirent, grce un calmar pourvu daxones gants, les mcanismes de transmission des influx nerveux. Ceci leur a valu le prix Nobel.

On sait presque tout cela depuis 50 ans, grce des expriences extraordinaires ralises sur les neurones gants dont sont pourvus certaines cratures marines. La grande taille de leur axone permit aux chercheurs d'y placer des petites lectrodes pour suivre les changements de potentiel lectrique. De nos jours, une technique moderne d'enregistrement, appele patch-clamp, permet aux neurobiologistes d'tudier le mouvement des ions au travers d'un canal ionique isol, dans divers types de neurones, et de mesurer trs prcisment ces courants dans des cerveaux qui ressemblent plus au ntre. Isoler les axones Dans de nombreux axones, les potentiels d'action ne se dplacent pas si vite que cela. Dans d'autres fibres au contraire, ils sautent vritablement le long de l'axone. Cela se produit car de longs segments de l'axone sont entours par une gaine lipidique et isolante, la gaine de myline, qui est constitue par la membrane de cellules gliales.

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Liens Internet: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html , http://www.dana.org/edab/discoveringbrain/cestquoi/cellulenerveuse2_fr.cfm


Messagers chimiquesLes potentiels d'action sont transmis, le long des axones, jusqu'aux rgions spcialises o ils contactent les dendrites d'autres neurones: les synapses. Elles comprennent une terminaison prsynaptique et un lment post-synaptique souvent localis sur une pine dendritique, spars par une troite fente. Les courants lectriques chargs de propager linflux nerveux le long des axones sont incapables de franchir la fente synaptique. La transmission travers cet espace est ralise grce des messagers chimiques, appels neurotransmetteurs. Ceci libre la voie de tout messager chimique avant qu'un nouveau potentiel d'action n'arrive. Mais rien ne se perd - les cellules gliales traitent les transmetteurs et le renvoient aux terminaisons nerveuses, o il sera stock jusqu' nouvelle utilisation. Ce mnage fait par les cellules gliales n'est pas la seule faon dont les synapse sont nettoyes. Parfois, les cellules nerveuse pompent des molcules de transmetteur directement dans leurs terminaisons. Dans d'autres cas, le transmetteur est dgrad dans la fente synaptique par d'autres agents chimiques.

Le transmetteur chimique, stock dans des sacs sphriques, est disponible pour tre libr dans les jonctions synaptiques

Les messagers ouvrent des canaux ioniquesL'interaction des neurotransmetteurs avec les rcepteurs ressemble celle d'une cl de serrure. La liaison du transmetteur (la cl) au rcepteur (la serrure) provoque gnralement l'ouverture d'un canal ionique - de tels rcepteurs sont dits "ionotropiques" (voir Figure). Si le canal ionique laisse entrer des ions positifs (Na+ ou Ca++), le flux de courant positif entrane une excitation. Ceci produit une oscillation du potentiel de membrane, que l'on appelle potentiel post-synaptique excitateur (PPSEP). Le plus souvent, un grand nombre de synapses - qui peuvent tre actives ou non chaque instant convergent sur un mme neurone. Lorsque la somme de tous les EPSPs atteint le seuil de dclenchement des potentiels d'action, une nouvelle impulsion se forme et le signal est transmis le long de l'axone du neurone-cible, comme nous l'avons vu au prcdent chapitre.

Stockage et librationLes neurotransmetteurs sont stocks dans de petits sacs sphriques (les vsicules synaptiques) qui sont localiss dans les terminaisons axonales. Il existe des vsicules de stockage, et d'autres, toutes proches des terminaisons nerveuses, qui sont prtes tre libres. L'arrive d'un potentiel d'action provoques l'ouverture de canaux ioniques qui laissent alors entrer du calcium (Ca++). Ce calcium active des enzymes qui agissent sur une srie de protines pr-synaptiques qui portent des noms exotiques, comme snare, tagmine ou brvine - noms rudement bien choisis pour les personnages de cette nouvelle aventure scientifique. Les neurobiologistes viennent tout juste de dcouvrir que ces protines s'entrecroisent, se pigent et s'embotent les unes dans les autres, pour permettre aux vsicules synaptiques de fusionner avec la membrane, et finalement d'clater dans la fente synaptique o elle librent leurs messagers chimiques. Le messager se rpand alors dans cet espace de 20 nanomtres, appel fente synaptique. Les vsicules synaptiques se reconstitueront ensuite, une fois que leurs membranes auront t recycles par la terminaison nerveuse et de nouveau remplies de neurotransmetteurs, pour tre plus tard rgurgites nouveau, dans un processus de recyclage continu. Une fois pass de l'autre ct, ce qui se produit avec une rapidit incroyable moins d'une milliseconde - le transmetteur interagit avec des structures molculaires spcialises qui se trouvent dans la membrane du neurone cible, les rcepteurs. De plus, des cellules gliales sont aux aguets autour de la fente synaptique. Certaines d'entre elles ont des miniaspirateurs tout prts, appels transporteurs, dont la mission est d'liminer le neurotransmetteur de la fente.

Transmetteur ligand extra-cellulairemembrane plasmique

rcepteur

rcepteur

transmetteur protine-G

intra-cellulaire second messager effecteur

Les rcepteurs ionotropiques ( gauche) possdent un canal travers lequel passent des ions (comme Na+ et K+). Le canal est fait de cinq sous-units arranges en cercle. Les rcepteurs mtabotropiques ( droite) ne possdent pas de canal, mais sont coupls des protines-G localises l'intrieur de la cellule et capables de transmettre le message.

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareLe principal neurotransmetteur excitateur du cerveau est le glutamate. Mais la grande prcision des oprations neuronales ncessite souvent que l'excitation de certains neurones soit accompagne par la cessation d'activit d'autres neurones. Ceci est rendu possible par l'inhibition. Dans les synapses inhibitrices, l'activation des rcepteurs provoque l'ouverture de canaux ioniques qui laissent entrer des ions chargs ngativement, et engendrent une modification du potentiel de membrane appel potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI, voir Figure). Celui-si empche la dpolarisation de la membrane, et donc le dclenchement d'un potentiel d'action par le corps cellulaire du neurone-cible. Il y a deux neurotransmetteurs inhibiteurs: le GABA et la glycine. La transmission synaptique est un phnomne trs rapide: 1/1000me de seconde seulement se passe entre l'arrive d'un potentiel d'action une synapse et la gense d'un PPSE dans le neurone suivant. La libration de glutamate par les synapses des diffrents neurones qui convergent sur un neurone recepteur doit tre synchronise dans un intervalle de temps trs bref pour que les PPSE s'additionnent efficacement et dclenchent une nouvelle impulsion dans ce neurone postsynaptique. L'inhibition doit, elle aussi, oprer dans le mme intervalle pour rduire efficacement lactivit neuronale.

Elle n'ouvre pas de porte pour les ions, comme lesrcepteurs ionotropiques, mais active des messagers secondaires qui dclenchent une squence de ractions biochimiques (voir Figure). Le moteur mtabolique de la cellule se met alors tourner. Les effets neuromodulateurs se traduisent par des changements au niveau des canaux ioniques, des rcepteurs, des transporteurs ou mme de l'expression de gnes. Compars aux modifications provoques par les neurotransmetteurs excitateurs ou inhibiteurs, ces changements sont plus lents dmarrer mais durent plus longtemps et leurs effets s'tendent bien au-del de la synapse. Bien qu'ils ne provoquent pas de potentiel d'actions, les neuromodulateurs ont des consquences importantes sur le trafic des impulsions dans les rseaux neuronaux.

Identifier les messagersL'actylcholine, la dopamine et la noradrnaline sont quelques uns des nombreux messagers qui agissent sur des rcepteurs coupls des protines-G. Les neurones qui librent ces transmetteurs ont des effets varis sur leurs cibles. Ils possdent galement une organisation anatomique remarquable: ils sont trs peu nombreux, mais leurs axones s'tendent profusment dans tout le cerveau (voir Figure). Il n'y a que 1600 neurones noradrnaline dans le cerveau humain, mais ceux-ci envoient des axones vers toutes les rgions du cerveau et de la moelle pinire. Ces neuromodulateurs ne transmettent pas des informations sensorielles prcises, ils servent plutt syntoniser l'activit d'ensembles de neurones disperss et en amliorent ainsi la performance. La noradrnaline est libre en rponse la nouveaut ou au stress et aide les individus organiser les rponses complexes ces dfis. De nombreux rseaux doivent "savoir" que l'organisme est en proie un stress. La dopamine joue sur les centres crbraux associs aux motions positives, et permet de rcompenser lanimal dans certaines situations (voir Chapitre 4). L'actylcholine, quant elle, agit selon les deux modes, la fois sur des rcepteurs ionotropiques et mtabotropiques. Premier neurotransmetteur tre dcouvert, elle met en jeu des mcanismes ioniques pour transmettre les signaux entre les motoneurones et les fibres musculaires stries, au niveau des jonctions neuromusculaires. Mais elle fonctionne aussi comme un neuromodulateur lorsque, par exemple, nous voulons focaliser notre attention sur quelque chose. Elle ajuste alors finement les neurones du cerveau pour qu'ils ne tiennent compte que des informations pertinentes.

Le potentiel post-synaptique excitateur (PPSE) est une lvation du potentiel de membrane depuis -70 mV vers une valeur plus proche de 0 mV. Un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI) produit l'effet oppos.

Des messagers qui modulentLa chasse aux possibles messagers excitateurs et inhibiteurs a rvl que les neurones librent bien d'autres substances chimiques. Beaucoup d'entre elles influent sur les mcanismes nerveux en interagissant avec des ensembles de protines membranaires formant des rcepteurs mtabotropiques. Ces rcepteurs ne possdent pas de canal ionique, ne sont pas systmatiquement localiss au niveau des synapses et, fait encore plus remarquable, n'induisent pas le dclenchement de potentiels d'action. Actuellement, nous pensons que ces rcepteurs ajustent ou modulent les nombreux processus chimiques qui se produisent dans les neurones, c'est pourquoi l'action des rcepteurs mtabotropiques est appele neuro-modulation. Les rcepteurs mtabotropiques sont gnralement inclus dans particules complexes qui relient l'extrieur de la cellule des enzyme localises l'intrieur, qui influencent son mtabolisme. Quand un neurotransmetteur est reconnu et li un rcepteur mtabotropique, des molcules-ponts appeles protines-G, sont actives en mme temps que d'autres enzymes lies la membrane. On peut donc comparer la liaison entre le neurotransmetteur et un rcepteur mtabotropique une cl de dmarreur.

Les cellules noradrnaline sont localises dans locus coeruleus (LC). Leurs axones se terminent dans le diencphale, comme par exemple dans l'hypothalamus (Hyp), mais aussi dans le cervelet (C) ou dans l'corce crbrale.

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un excellent site sur les synapses (en anglais) : http://synapses.mcg.edu/index.asp


Le cerveau et la drogue

Beaucoup de gens prouvent un dsir permanent d'altrer leur niveau de conscience en utilisant des drogues. Certains prennent des drogues stimulantes pour les aider rester veills et danser toute la nuit. D'autres utilisent des sdatifs pour calmer leurs nerfs, ou encore des substances qui leur permettent d'exprimenter des tats de conscience diffrents et d'oublier les problmes quotidiens. Toutes ces drogues interagissent d'une manire ou d'une autre avec les neurotransmetteurs et les autres messagers chimiques du cerveau. Dans la plupart des cas, les drogues dtournent de leur nature les systmes crbraux responsables pour le plaisir et la rcompense - processus psychologiques essentiels pour manger, dormir, avoir une relation sexuelle ou encore pour l'apprentissage et la mmoire.

Pendant que la dpendance se dveloppe, le corps et le cerveau s'adaptent progressivement la prsence

rpte de la drogue, mais ce qui se passe vraiment dans le cerveau demeure un mystre. Bien que les sites primaires d'action de l'hrone, des amphtamines, de la nicotine, de la cocane et du cannabis soient diffrents, toutes ces drogues ont en commun la capacit de promouvoir la libration, dans certaines rgions crbrales, d'un messager chimique appel dopamine. Bien que celle-ci ne dclenche pas forcment un mcanisme "de plaisir", on pense que la libration de dopamine induite par les drogues est un vnement commun qui conduit la voie du "plaisir" dans le cerveau. Elle reprsenterait un signal qui incite la personne continuer sa consommation de drogue.

Le chemin vers la toxicomanieLes drogues qui agissent sur le cerveau ou sur son apport sanguin peuvent tre dune grande utilit comme celles qui soulagent la douleur. L'usage de drogues rcratives a un but bien diffrent, et le problme et qu'il peut conduire l'abus. Un usager peut trs facilement devenir dpendant ou mme intoxiqu. Il ou elle sentira alors les symptmes physiques et psychologiques trs dsagrables du manque, lorsqu'il ou elle tentera de cesser sa consommation de drogue. Cet tat de dpendance peut conduire l'usager rechercher la drogue n'importe quel prix, bien que cela soit videment nuisible son travail, sa sant et sa famille. Dans des cas extrmes, l'usager peut tre conduit commettre un crime pour payer la drogue. Heureusement, tous ceux qui essayent une drogue rcrative n'en deviennent pas dpendants. La capacit des diffrentes drogues entraner la dpendance est trs variable: allant d'un risque lev comme dans le cas de la cocane, de l'hrone et de la nicotine - un risque plus bas, comme pour l'alcool, le cannabis, l'ecstasy ou les amphtamines.

Les drogues rcratives: Comment elles fonctionnent? Quels sont les risques? L'alcoolL'alcool agit sur les systmes de neurotransmetteurs du cerveau en dprimant les signaux excitateurs et en facilitant l'inhibition de l'activit nerveuse. Les effets de l'alcool passent par une phase de relchement et de bonne humeur - aprs un verre -, puis voluent vers une phase de somnolence et la perte de conscience. C'est pourquoi la police est si svre quand il s'agit de "boire ou conduire", et aussi pourquoi la plupart des gens acceptent et encouragent cette attitude svre. Certaines personnes qui boivent deviennent trs agressives et mme violentes, et presque 1 personne sur 10 qui boit rgulirement deviendra un alcoolique dpendant. La consommation long terme dtruit le corps, surtout le foie, et peut provoquer des dgts irrversibles dans le cerveau. Les femmes enceintes qui boivent courent le risque d'avoir un bb avec des lsions crbrales et un QI bas. En France, plus de 45.000 personne meurent chaque anne de maladies causes par l'alcool.

76% 92% 46% 13% 16% 2%Pourcentage de personnes ayant expriment la drogue

tabac alcool marijuana tranquillisants & mdicaments cocane hrone

32% 15% 9% 9% 17% 23%Pourcentage d'usagers devenus dpendants

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareEnviron un usager sur dix peut devenir dpendant, ce que savent trs bien les revendeurs! La consommation excessive et rpte est incompatible avec la conduite ou un travail exigeant sur le plan intellectuel; des expriences ont dmontr que les personnes intoxiques par le cannabis sont incapables d'effectuer des tches mentales complexes. Enfin, et bien que ce ne soit pas encore prouv, des indices suggrent qu'une consommation leve puisse dclencher, chez les individus risque, la schizophrnie, une maladie mentale (voir p.51).

Les amphtaminesLes amphtamines sont des substances synthtiques comme la dexedrine, le speed, ou le driv mtamphtaminique appel ecstasy. Ces drogues agissent sur le cerveau en provoquant la libration de deux neurotransmetteurs naturels. Le premier est la dopamine - ce qui explique probablement l'hyper-veil et la forte sensation de plaisir des amphtamines. Le second est la srotonine - ce qui expliquerait leur capacit de provoquer une sensation de bien-tre et un tat qui peut aller jusqu' des hallucinations. La dexedrine et le speed provoquent surtout une libration de dopamine, l'ecstasy surtout de srotonine. Un hallucinogne encore plus puissant, le d-LSD, agit aussi sur la srotonine du cerveau. Les amphtamines sont de puissants psychostimulants et peuvent tre dangereux surtout en cas de dosage excessif. Des expriences sur des animaux ont montr que l'ecstasy peut provoquer une rduction durable, peut-tre mme permanente, des cellules srotonine. Ceci expliquerait "la dprime du milieu de semaine" dont souffrent les personnes qui prennent de l'ecstasy tous les week-ends. Chaque anne, des dizaines de jeunes meurent aprs voir pris de l'ecstasy. La dxedrine et le speed peuvent provoquer des psychoses effrayantes, de type schizophrnique. Quelqu'un essayera probablement de vous convaincre un jour que le speed aide russir un examen, mais cela est faux. a n'aidera pas.

Crne avec une cigarette allume, Vincent Van Gogh 1885.

La nicotineLa nicotine est le principe actif de tous les produits drivs du tabac. Elle agit sur les rcepteurs crbraux qui reconnaissent normalement le neurotransmetteur actylcholine et facilite les mcanismes naturels d'veil et d'alerte. Ce n'est donc pas tonnant que les fumeurs disent que la cigarette les aide se concentrer et les apaise. Le problme est que la nicotine est fortement addictive et de nombreux fumeurs invtrs continuent fumer simplement pour ne pas subir les effets dsagrables du manque quand ils s'arrtent, alors que le plaisir a disparu depuis longtemps. Bien qu'elle n'ait pas d'effet toxique sur le cerveau, la fume du tabac est extrmement nocive pour les poumons et l'exposition long terme peut provoquer le cancer des poumons et des maladies cardiopulmonaires. En France, plus de 66,000 personnes meurent chaque anne de maladies lies au tabac.

L'hroneL'hrone est une substance synthtique drive de la morphine vgtale. Comme le cannabis, elle dtourne un systme crbral qui utilise des neurotransmetteurs naturels, appels endorphines. Ces endorphines sont importantes pour contrler la douleur - et les mdicaments qui miment leur action sont trs utiles en mdecine. L'hrone s'injecte ou se fume, et provoque immdiatement une sensation de plaisir - probablement cause de l'effet des endorphines sur le systme de rcompense. Elle est fortement addictive et, mesure que la dpendance s'installe, ces sensations agrables sont rapidement remplaces par un tat permanent de "manque". C'est une drogue trs dangereuse qui peut tuer mme aprs un lger surdosage (elle supprime les rflexes respiratoires). L'hrone a ruin la vie de nombreuses personnes.

Le cannabisLe cannabis est une nigme, car il joue sur un important systme crbral qui utilise des neurotransmetteurs naturels dont la structure chimique est trs voisine de celle du cannabis. Ce systme contrle le tonus musculaire et ajuste la sensibilit la douleur. Utilis avec sagesse et dans un contexte mdical, le cannabis peut tre une drogue trs utile. C'est une drogue intoxicante qui peut tre agrable et relaxante, et qui produit un tat onirique dans lequel la perception des sons, des couleurs et du temps est subtilement altre. Apparemment, personne n'est jamais mort d'un surdosage, mais certains usagers peuvent ressentir des attaques de panique dplaisantes aprs de fortes doses. Presque la moiti des franais et franaises gs de moins de 30 ans a consomm au moins une fois du cannabis. Certains pensent qu'il devrait tre lgalis - ce qui permettrait galement de rompre la chane entre l'approvisionnement de cette drogue et d'autres qui sont bien plus dangereuses. Malheureusement, comme avec la nicotine, fumer est la manire la plus efficace d'ingrer le cannabis, et sa fume de contient le mme mlange de poisons que celles des cigarettes (qui plus est, le cannabis est souvent mlang du tabac). Les fumeurs de cannabis peuvent dvelopper des maladies pulmonaires, voire un cancer du poumon - bien que cela n'ait pas encore t prouv.

La cocaneLa cocane est un autre driv de plante qui provoque une intense sensation de plaisir et agit aussi comme un puissant psychostimulant. Comme les amphtamines, la cocane augmente la quantit de dopamine et de srotonine disponibles dans le cerveau. Mais, comme l'hrone, c'est une drogue trs dangereuse. Les gens qui sont intoxiqus, surtout aprs l'avoir fume sous forme de crack, peuvent devenir trs violents et agressifs, et il y a toujours un risque de mort par surdosage. Le taux de dpendance est lev, et le cot d'une consommation rgulire entrane de nombreuses personnes vers la criminalit.

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Sites Internet : http://www.drogues.gouv.fr/, http://tabac-net.aphp.fr/, http:/www.toxquebec.com/, http:/www.etape.gc.ca/drogues/, http://www.camh.net/fr/index.html, et en anglais: http:/www.nida.nih.gov/


Le toucher et la douleurLe toucher est spcial - une poigne de main, un baiser,un baptme. Il permet notre premier contact avec le monde. Plusieurs types de rcepteurs rpartis dans tout notre corps dtectent diffrents aspects du monde somato-sensoriel (toucher, temprature et position du corps) et d'autres encore soccupent des sensations douloureuses. Leur puissance de discrimination varie selon les rgions du corps : ils sont extraordinairement sensibles certains endroits comme au bout des doigts. L'exploration active est galement importante, tmoignant dtroites interactions avec le systme moteur. La douleur sert nous informer et nous avertir des dommages causs notre corps. Elle produit de fortes ractions motives et est soumise de puissants contrles dans le corps et le cerveau. animaux anesthsis, nous savons maintenant que les deux premiers types de rcepteurs sadaptent rapidement et donc rpondent mieux des dformations rapides (sensations de vibration et dagitation), le disque de Merkel rpond bien une pression soutenue sur la peau (sensation de pression) tandis que les terminaisons de Ruffini rpondent aux changements de pression plus lents. Au sujet des rcepteurs somatosensoriels, un concept important est celui de champ rcepteur. C'est la zone de peau pour laquelle rpond chaque rcepteur. Les corpuscules de Pacini ont des champs rcepteurs beaucoup plus grands que ceux de Meissner. Ensemble, ces corpuscules et les autres rcepteurs permettent que vous puissiez sentir des choses sur toute la surface de votre corps. Quand ils dtectent un stimulus, les rcepteurs envoient des impulsions le long des nerfs sensoriels jusquaux racines dorsales de la moelle pinire. Les axones reliant les rcepteurs du toucher la moelle pinire sont des fibres mylinises de grand diamtre qui vhiculent l'information depuis la priphrie vers le cortex crbral extrmement rapidement. Le froid, la chaleur et la douleur sont dtects par des axones plus minces aux terminaisons "nues", qui transmettent linformation plus lentement. Les rcepteurs de la temprature sont galement capables d'adaptation (voir l'exprience dans lencadr). Les signaux du toucher passent par des stations de relais dans le bulbe rachidien et le thalamus, avant dtre envoys dans laire corticale sensorielle primaire appele cortex somatosensoriel. Les nerfs croisent la ligne mdiane du corps de sorte que le ct droit du corps est reprsent dans l'hmisphre gauche du cerveau et vice versa.

Corpuscule de Meissner Axones Disque de Merkel

Plaque terminale de Ruffini Une varit de rcepteurs sensoriels trs petits sont inclus dans la surface de la peau.

Glande sudoripare

corpuscle de Pacini

Une exprience sur ladaptation la temprature

Tout commence dans la peauDans les couches dermiques de la peau, sous la surface, se trouvent plusieurs types de rcepteurs minuscules. Portant le nom des scientifiques qui les ont identifis en premier au microscope, les corpuscules de Pacini et de Meissner, les disques de Merkel et les terminaisons de Ruffini permettent de sentir diffrents aspects du toucher. Tous ces rcepteurs comportent des canaux ioniques qui souvrent en rponse une dformation mcanique, ce qui dclenche des potentiels d'action qui peuvent tre enregistrs exprimentalement avec des lectrodes fines. Des expriences tonnantes ont t faites il y a quelques annes par des scientifiques qui ont expriment sur euxmmes, en insrant des lectrodes dans leur propre peau pour enregistrer des nerfs sensoriels, un la fois. A partir de ces expriences et dautres semblables faites sur des

Cette exprience est trs simple. Vous avez besoin d'une tige de mtal denviron un mtre de long, comme un porte-serviette, et de deux seaux d'eau. Lun doit contenir de l'eau assez chaude, l'autre de l'eau aussi froide que possible. Mettez la main gauche dans un seau et la main droite dans l'autre, et gardez-les ainsi pendant au moins une minute. Sortez-les alors, schez-les trs rapidement et prenez la tige de mtal des deux mains. Les deux extrmits de la tige semblent tre des tempratures diffrentes. Pourquoi?

L'information tactile est reprsente de faon ordonne la surface du cortex somatosensoriel, sous la forme d'une carte de la surface du corps. Certaines parties du corps, telles que le bout des doigts et la bouche, prsentent une forte densit de rcepteurs et un nombre galement plus lev de nerfs sensoriels. D'autres rgions, comme le dos, ont bien moins de rcepteurs et de nerfs. Cependant, dans le cortex

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PDF Page Organizer - Foxit Softwaresomatosensoriel, la densit des neurones est uniforme. Par consquent, la carte de la surface du corps dans le cortex est trs dforme. On appelle parfois homoncule sensoriel cette reprsentation curieusement tordue dune personne selon la densit des rcepteurs tactiles sur la surface des diffrentes parties du corps. Vous pouvez tester cette sensibilit diffrentielle des diffrentes rgions du corps avec le test de discrimination de deux points. Pliez quelques trombones en forme de U, certains avec les bouts distants de 2 ou 3 centimtres, d'autres beaucoup plus rapprochs. Puis, avec les yeux bands, demandez un ami de toucher diverses parties de votre corps avec les bouts des trombones. Sentez-vous une ou deux pointes ? Sentez-vous parfois une seule pointe alors que l'on vous touche rellement avec les deux? Pourquoi? Les cortex primaires sensoriels et moteur sont dailleurs cte cte dans le cerveau. L'exploration active est cruciale pour le sens du toucher. Imaginez que vous essayez de distinguer des diffrences subtiles de texture, comme celles qui existent entre diffrents tissus ou catgories de papier sabl. Parmi les conditions suivantes, lesquelles permettent la meilleure discrimination? Placer le bout des doigts sur les chantillons? Dplacer le bout des doigts sur les chantillons? Avoir une machine qui dplace les chantillons sur le bout de vos doigts ?

Les rsultats de telles expriences comportementales nous font nous demander quel endroit du cerveau l'information sensorielle est analyse. Limagerie fonctionnelle du cerveau suggre que l'identification tactile de textures ou dobjets implique diffrentes rgions du cortex. L'imagerie permet aussi de commencer comprendre la plasticit corticale en rvlant que la carte corticale du corps peut changer selon l'exprience. Par exemple, les aveugles qui lisent en Braille ont une reprsentation corticale plus grande de lindex utilis pour la lecture, et les gens qui jouent dinstruments cordes ont une reprsentation corticale agrandie des doigts de la main gauche.

La douleurBien que souvent classe avec le toucher comme un autre sens de la peau, la douleur est en ralit un systme propre, aux fonctions et lorganisation anatomique trs diffrentes. Ses principales caractristiques sont qu'elle est dsagrable, qu'elle varie considrablement d'un individu l'autre et, tonnamment, que l'information fournie par les rcepteurs de douleur apporte peu de dtails sur la nature du stimulus (il y a peu de diffrence entre la douleur due une abrasion et celle due une piqre d'ortie). Dans lAntiquit, les Grecs considraient la douleur comme une motion plutt quune sensation. L'enregistrement de fibres sensorielles isoles chez des animaux montre quelles rpondent aux stimulus qui endommagent les tissus ou qui pourraient le faire : un stimulus mcanique intense (comme un pincement), une chaleur intense, et diffrents stimulus chimiques. Mais de telles expriences ne nous apprennent rien sur lexprience subjective de la douleur. Les techniques de biologie molculaire ont permis de dcouvrir la structure et les caractristiques d'un certain nombre de rcepteurs de la douleur ou nocicepteurs. Ceux-ci comprennent les rcepteurs qui rpondent la chaleur audessus de 46C, l'acidit des tissus et encore une dcouverte tonnante la substance active des piments. Les gnes des rcepteurs rpondant aux stimulations mcaniques intenses nont pas encore t identifis, mais ils doivent pourtant exister. Deux classes de fibres affrentes priphriques rpondent aux stimulus nocifs : des fibres mylinises relativement rapides, appeles fibres A (A delta), et les fibres C, trs fines, lentes, non mylinises. Ces deux types de nerfs entrent dans la moelle pinire, o ils tablissent des contacts (synapses) avec une srie de neurones qui se projettent jusqu'au cortex crbral. Ces voies ascendantes sont parallles, lune traitant la localisation de la douleur (semblable la voie du toucher), l'autre tant responsable de l'aspect motionnel de la douleur.

Lhomuncule. Limage dune personne est dessine la surface du cortex somatosensoriel, la taille de chaque partie du corps tant proportionnelle au nombre de ses rcepteurs tactiles. Elle est toute dforme.

Le pouvoir exquis de la discriminationLa capacit de percevoir des dtails fins varie considrablement selon les parties du corps; elle est dveloppe aux maximum dans le bout des doigts et les lvres. La peau est suffisamment sensible pour distinguer un point dont le relief est infrieur 1/100e de millimtre si vous le caressez la manire dune personne aveugle qui lit en Braille. Un domaine de recherche actif vise comprendre comment les diffrents types de rcepteurs contribuent diffrentes tches comme distinguer les textures ou identifier la forme d'un objet. Le toucher n'est pas simplement un sens passif qui rpond seulement ce qu'il reoit. Il est galement impliqu dans le contrle actif du mouvement. Les neurones du cortex moteur qui commandent les muscles qui permettent de bouger les doigts reoivent des informations sensorielles des rcepteurs tactiles du bout des doigts. Rien nest plus efficace pour dtecter un objet qui commence glisser de votre main qu'une communication rapide entre les systmes sensoriel et moteur. L'interaction entre ces systmes commence ds les premiers relais dans la moelle pinire, y compris la rtroaction proprioceptive vers les neurones moteurs, et elle se poursuit tous les niveaux du systme somatosensoriel.

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Morphine

Met-enkphaline

Ce systme implique un certain nombre de transmetteurs chimiques, comprenant les opiodes endognes comme la metenkphaline. La morphine est un analgsique qui agit sur les mmes rcepteurs que certains opiodes endognes. Le phnomne inverse, quand la sensibilit la douleur est accrue, s'appelle hyperalgsie. Le seuil de douleur baisse, l'intensit de la douleur augmente, et la rgion du corps o la douleur est ressentie peut stendre. Il peut mme y avoir sensation de douleur en l'absence de stimulation nocive, ce qui peut constituer un problme clinique srieux. Lhyperalgsie englobe la sensibilisation des rcepteurs priphriques ainsi que des phnomnes complexes divers niveaux des voies ascendantes. Ceux-ci incluent l'interaction entre l'excitation et l'inhibition chimiques. Lhyperalgsie observe dans des tats de douleur chronique rsulte dune augmentation de l'excitation et dune baisse de l'inhibition. Cela est principalement d des changements dans la rponse des neurones qui traitent l'information sensorielle. Des modifications importantes se produisent dans les molcules rceptrices qui mdient l'action des neurotransmetteurs impliqus. Malgr de grandes avances dans la comprhension des mcanismes cellulaires de lhyperalgsie, le traitement clinique de la douleur chronique demeure malheureusement insuffisant.

Voies ascendantes de la douleur partant d'une rgion de la moelle pinire (en bas) et montant jusqu' plusieurs zones du tronc crbral et du cortex, y compris le cortex cingulaire antrieur (ACC) et l'insula. Cette deuxime voie projette vers des rgions crbrales trs diffrentes du cortex somatosensoriel, qui comprennent le cortex cingulaire antrieur et linsula. Dans des expriences dimagerie crbrale, en utilisant lhypnose, il a t possible de sparer la sensation de douleur en tant que telle de son aspect dsagrable. Les sujets ont immerg leurs mains dans de l'eau extrmement chaude puis ont t soumis la suggestion hypnotique quaugmentait ou diminuait soit l'intensit de la douleur soit son ct dsagrable. En utilisant la tomographie par mission de positons (PET scan), on a constat que changer ainsi l'intensit de la douleur activait le cortex somatosensoriel, tandis que l'exprience dsagrable de la douleur activait le cortex cingulaire antrieur.

Une vie sans douleur?Etant donn notre dsir d'viter les sources de douleur, comme le dentiste, on pourrait imaginer qu'une vie sans douleur serait bonne. Rien nest moins sr. En effet, une des fonctions principales de la douleur est de nous permettre d'apprendre viter les situations qui provoquent la douleur. Les potentiels d'action dans les nerfs nocicepteurs qui entrent dans la moelle pinire dclenchent des rflexes protecteurs automatiques, tels que le rflexe de retrait. Ils fournissent galement linformation qui permet d'apprendre viter des situations dangereuses ou menaantes. Une autre fonction principale de la douleur est l'inhibition de l'activit - le repos qui permet la gurison aprs des dommages aux tissus. Naturellement, dans certaines situations, il est important de ne pas empcher l'action et les ractions de fuite. Pour aider faire face dans ces situations, des mcanismes physiologiques ont volu afin de supprimer ou daugmenter la douleur. Le premier de ces mcanismes modulatoires avoir t dcouvert est la libration danalgsiques endognes. Dans des situations o il existe un risque lev de blessures, comme chez des soldats au combat, la sensation de douleur est supprime jusqu un niveau tonnant vraisemblablement parce que ces substances analgsiques sont libres. Des expriences sur des animaux ont dmontr que la stimulation lectrique de certaines zones du cerveau comme la matire grise priaqueducale entrane une lvation du seuil de douleur. Ce phnomne passe par une voie descendante qui va du msencphale la moelle pinire.

Aux frontires de la recherche

La mdecine chinoise traditionnelle emploie un procd appel "acuponcture" pour soulager la douleur. Cela implique des aiguilles fines, insres dans la peau des endroits particuliers du corps le long de ce qui s'appelle les mridiens. La personne qui traite le patient fait alors tourner ou vibrer ces aiguilles. De fait, cela soulage la douleur mais, jusqu rcemment, personne ne savait exactement pourquoi. Il y a quarante ans, un laboratoire de recherche a t install en Chine pour dcouvrir comment fonctionne lacuponcture. Ses rsultats indiquent que la stimulation lectrique une certaine frquence de vibration dclenche la libration dopiodes endognes appels endorphines, tels que la met-enkphaline, alors que la stimulation une autre frquence active un systme sensible aux dynorphines. Ce travail a men au dveloppement d'une machine lectrique peu coteuse ( gauche) qui peut tre utilise pour soulager la douleur au lieu de mdicaments. Une paire d'lectrodes est place aux points "Heku" sur la main ( droite), dautres au site de la douleur.

Vous voulez en savoir plus sur lacuponcture? Consultez le site internet suivant (en anglais): http://www.acupuncture.com/index.html 1

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La visionLes humains sont des animaux trs visuels, employant constamment leurs yeux pour prendre des dcisions au sujet du monde qui les entoure. Avec nos yeux dirigs vers l'avant, comme les autres primates, nous utilisons la vision pour dtecter les nombreux lments de notre environnement qui sont loigns de notre corps. La lumire est une forme d'nergie lectromagntique qui entre par nos yeux, o elle agit sur des photorcepteurs dans la rtine. Cela dclenche des processus par lesquels des impulsions neurales sont produites puis voyagent par les voies et les rseaux du cerveau visuel. Des voies spares vers le msencphale et le cortex crbral soccupent de fonctions visuelles diffrentes : dtecter et reprsenter le mouvement, la forme, la couleur et d'autres aspects du monde visuel. Certains de ces aspects sont accessibles la conscience, mais pas tous. Dans le cortex, des neurones rpartis dans de nombreuses aires visuelles distinctes sont spcialiss dans llaboration de diffrents types de dcisions visuelles.


le cerveau, "voir" cette deuxime image ncessiterait alors quune autre personne la regarde - une personne l'intrieur du cerveau! Pour viter une telle rgression infinie, qui nexplique rien en fin de compte, considrons ce problme trs complexe que le cerveau visuel doit rsoudre : comment utiliser les messages cods par les yeux pour interprter le monde visuel et prendre des dcisions en consquence. Disposs sur toute la surface de la rtine, 125 millions de photorcepteurs rpondent la lumire qui les frappe en produisant de minuscules potentiels lectriques. Passant par les synapses dun rseau de cellules rtiniennes, ces signaux activent alors les cellules ganglionnaires dont les axones se rassemblent pour former le nerf optique. Ceux-ci entrent dans le cerveau, o ils transmettent des potentiels d'action diffrentes rgions visuelles aux fonctions distinctes.Cellule ganglionnaire Cellule bipolaire Cellule horizontale Btonnets Cnes

La lumire dans lilLa lumire entre dans lil par la pupille et est focalise, par la corne et le cristallin, sur la rtine au fond de l'il. La pupille est entoure par un iris pigment qui peut sagrandir ou se contracter, rendant la pupille plus grande ou plus petite quand varient les niveaux de lumire. Il est normal de supposer que l'oeil agit comme un appareil photo, formant une image du monde, mais c'est une mtaphore fausse plusieurs gards. D'abord, il n'y a jamais une image statique parce que les yeux se dplacent toujours. En second lieu, mme si une image sur la rtine devait envoyer une image dans Pupille CorneCristallin

Lumire

Rtine

Nerf optique

Cellule amacrine

Iris

La rtine. La lumire traverse les fibres du nerf optique et un rseau des cellules (dont les cellules bipolaires) pour atteindre les btonnets et les cnes au fond de la rtine.

Rtine

Fova

Point aveugle

Nerf optiqueL'oeil humain. Le cristallin fait converger la lumire qui entre dans l'oeil sur la rtine situe au fond. L, des rcepteurs dtectent l'nergie et, par un processus de transduction, provoquent des potentiels daction qui voyagent dans le nerf optique.

On a appris beaucoup de choses sur cette premire tape du traitement visuel. Les photorcepteurs les plus nombreux, appels les btonnets, sont environ 1000 fois plus sensibles la lumire que l'autre type de rcepteurs, moins abondants, appels les cnes. En gros, on voit la nuit avec les btonnets et le jour avec les cnes. Il y a trois types de cnes, sensibles diffrentes longueurs donde. C'est une simplification exagre de dire que les cnes produisent simplement la vision en couleurs, mais du moins ils lui sont essentiels. Sils sont surexposs une lumire dune seule couleur, les pigments des cnes sadaptent puis diminuent leur contribution la perception de la couleur pour un court laps de temps (voir l'exprience dans lencadr).

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareAu cours des 25 dernires annes, des dcouvertes importantes ont t faites sur le processus de la phototransduction (la conversion de la lumire en signaux lectriques dans les btonnets et les cnes), sur la base gntique de l'incapacit distinguer les couleurs, due l'absence de certains pigments visuels, et aussi sur la fonction du rseau rtinien et la prsence de deux types de cellules ganglionnaires. Environ 90% de ces cellules sont trs petites, alors que 5% sont de grandes cellules magnocellulaires ( de type M ). Nous verrons plus tard que certaines anomalies des cellules de type M peuvent causer la dyslexie (chapitre 9). Une exprience sur ladaptation la couleur Concentrez-vous sur la petite croix (+) entre les deux grands cercles pendant au moins 30 s. Dplacez ensuite votre regard vers la croix du dessous. Les deux cercles "jaunes" sembleront tre de diffrentes couleurs. Pouvez-vous imaginer pourquoi cela sest produit ?cortex visuel Champs visuels gauche droite

nerf optique chiasma

corps genouill latral voies vers le cortex

Les voies allant des yeux jusquau cerveau Le cortex visuel se compose de plusieurs aires charges des divers aspects du monde visuel tels que la forme, la couleur, le mouvement, la distance, etc. Ses cellules sont arranges en colonnes. Un concept important ici est celui du champ rcepteur : c'est la zone de la rtine qui, une fois stimule par un certain type d'image, provoquera une raction de la cellule corticale. Dans l'aire V1, premire station corticale de traitement des images, les neurones rpondent prfrentiellement des lignes ou des bords orients selon un axe particulier. Une dcouverte importante est que tous les neurones dune colonne de cellules donne rpondent prfrentiellement des lignes ou des bords de mme orientation, et les cellules de la colonne voisine rpondent mieux une orientation lgrement diffrente, et ainsi de suite sur toute la surface de V1. Cela signifie que les cellules visuelles corticales ont une organisation intrinsque pour interprter le monde, mais ce n'est pas une organisation qui est immuable. La rponse dune cellule individuelle lactivit de l'oeil gauche ou droit peut tre modifie par lexprience. Comme tous les systmes sensoriels, le cortex visuel prsente ce que nous appelons la plasticit. David Hubel Torsten Wiesel

David

Les tapes suivantes du traitement visuelLe nerf optique de chaque oeil se projette vers le cerveau. Les fibres de chaque nerf se rencontrent un endroit appel chiasma optique ; la moiti d'entre elles "croisent" de l'autre ct o elles rejoignent la moiti des fibres de l'autre nerf optique qui sont restes "non croises". Ensemble, ces faisceaux de fibres forment les bandelettes optiques, contenant maintenant des fibres des deux yeux, et qui se projettent leur tour vers le cortex crbral (aprs un relais synaptique dans une structure appele corps genouill latral). C'est l que sont cres les "reprsentations" internes de l'espace visuel qui nous entoure. Comme pour le toucher (chapitre prcdent), le ct gauche du monde visuel est reprsent dans lhmisphre droit et le ct droit dans lhmisphre gauche. Cette reprsentation neurale intgre des informations en provenance de chaque oeil et par consquent les cellules des aires visuelles, l'arrire du cerveau (appeles aires V1, V2, etc) sont capables de dcharger en rponse une image apparue dans l'un ou l'autre oeil. Cest ce quon appelle la binocularit.

Des enregistrements lectriques faits sur des cellules du cortex visuel ( gauche) par D. Hubel et T. Wiesel (cidessus) ont rvl quelques proprits tonnantes. Celles-ci incluent la slectivit l'orientation, la belle organisation en colonnes de ces cellules (ci-dessous) et la plasticit du systme. Ces dcouvertes ont t rcompenses par un prix Nobel.

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareAux frontires de la recherchePeut-on voir si lon est aveugle ? Certainement pas. Cependant, la dcouverte de multiples aires visuelles dans le cerveau a prouv que certaines capacits visuelles se produisent inconsciemment. Certaines personnes qui ont subi une lsion du cortex visuel primaire (V1) rapportent ne pas voir des choses dans leur champ visuel mais, si on leur demande de saisir ces objets qu'elles affirment ne pas voir, elles le font avec une prcision remarquable. Ce phnomne curieux mais fascinant est connu sous le nom de "vision aveugle". Il est probablement d des connexions parallles entre les yeux et d'autres parties du cortex. Ne pas se rendre compte des choses quon voit est aussi un phnomne quotidien pour les personnes normales. Si vous parlez avec un passager tout en conduisant votre voiture, votre attention peut tre dirige entirement vers la conversation - pourtant vous conduisez efficacement, vous arrtant aux feux et vitant des obstacles. Ces capacits refltent un genre de vision aveugle fonctionnelle. Simplement des points noirs et blancs ? Il est d'abord difficile didentifier les bords ou les surfaces de l'image. Mais une fois que vous savez que c'est un dalmatien, l'image ressort. Le cerveau visuel emploie des connaissances internes pour interprter la scne sensorielle.

exigent une longue rflexion, tandis que dautres peuvent tre simples et automatiques. Mais mme les dcisions les plus simples ncessitent de combiner l'information sensorielle avec des connaissances prexistantes. Pour comprendre les bases neurales de la prise de dcision, on pourrait laisser un individu vaquer ses occupations quotidiennes et enregistrer l'activit de ses neurones. Mais imaginez que l'on puisse enregistrer l'activit de chacun des 1011 neurones du cerveau avec une prcision de lordre de la milliseconde. On obtiendrait alors beaucoup de donnes, et puis leur analyse serait une tche par trop gigantesque. Finalement, on aurait un problme encore plus grand pour les interprter. Pour saisir lampleur du problme, pensez un moment aux diffrentes raisons qui peuvent pousser des gens faire quelque chose. Une personne que nous voyons marcher vers une gare peut y aller pour prendre un train, pour rencontrer quelqu'un qui va arriver, ou simplement pour y regarder passer les trains. Sans savoir quelles sont ses intentions, il pourrait savrer trs difficile d'interprter les corrlations entre les profils d'activation de son cerveau et son comportement. Par consquent, les scientifiques prfrent tudier des situations comportementales sous un contrle exprimental prcis. Cela peut tre ralis en laborant une tche bien dfinie, en s'assurant que les sujets humains l'excutent le mieux possible aprs un entranement intensif, puis en suivant leurs performances. Les meilleures tches sont celles qui sont suffisamment complexes pour tre intressantes, mais suffisamment simples pour permettre danalyser ce qui se passe. Un bon exemple est dcider de l'aspect de stimulus visuelsgnralement pas plus de deux et de rpondre par un choix simple (par exemple dterminer le point le plus grand ou le plus lumineux). Bien qu'une telle tche soit simple, elle comprend un cycle complet de prise de dcision. L'information sensorielle doit tre acquise et analyse et les rponses peuvent tre correctes ou incorrectes, ce qui peut tre suivi par une rcompense ou pas. Ce genre de recherche est une espce de "physique de la vision".

Les circuits complexes du cortex visuel sont l'un des grands mystres qui proccupent les neuroscientifiques. Diffrents types de neurones sont arrangs dans les six couches corticales, relis entre eux dans des circuits locaux trs prcis que nous commenons seulement comprendre. Certaines de leurs connexions sont excitatrices, dautres inhibitrices. Des chercheurs ont suggr l'existence d'un microcircuit cortical canonique (de base) un peu comme la puce lectronique dans un ordinateur. Tout le monde nest pas daccord. On pense aujourd'hui que les circuits d'une aire visuelle ressemblent beaucoup ceux dautres aires, mais il pourrait y avoir des diffrences subtiles, correspondant aux diffrentes manires dont chaque partie du cerveau visuel interprte certains aspects du monde visuel. L'tude des illusions doptique nous a galement permis de mieux comprendre le traitement de linformation visuelle diffrents niveaux.

Les carreaux de ce clbre mur dun caf de Bristol ( gauche) sont en ralit rectangulaires mais ils nen ont pas lair. Leur arrangement cre une illusion cause par des interactions excitatrices et inhibitrices complexes entre les neurones analysant les lignes et les bords. Le triangle de Kanizsa ( droite) nexiste pas vraiment mais a ne vous empche pas de le voir! Votre systme visuel dcide quun triangle blanc existe par-dessus dautres objets.

Dcisions sur le mouvement et la couleurUn sujet dtudes en effervescence concerne limplication des neurones dans les dcisions de mouvement visuel. Savoir si un objet se dplace, et dans quelle direction, sont des questions extrmement importantes pour les humains et les autres animaux. Le mouvement relatif indique gnralement quun objet est diffrent des autres objets alentours. Les rgions du cerveau impliques dans le traitement de l'information sur le mouvement peuvent tre identifies comme des rgions anatomiques distinctes en examinant les connexions entre les aires du cerveau, en utilisant des techniques dimagerie du cerveau humain (chapitre 14), et en enregistrant l'activit de certains neurones chez les animaux non humains.

Dcision et indcisionUne fonction essentielle du cortex crbral est de former des images et dagir en fonction de l'information sensorielle reue de diffrentes sources. La prise de dcision est une composante fondamentale de cette capacit. C'est la partie pense ou "cognitive" du processus, base sur la connaissance. Les donnes sensorielles disponibles doivent tre peses et des choix sont faits (agir ou s'abstenir) partir de la meilleure information qui peut tre obtenue ce moment-l. Certaines dcisions sont complexes et

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A

Parital

B

Dorsal Antrieur

Temporal

C

0% cohrence

50% cohrence

100% cohrence

DProportion de bonnes rponses

Cohrence (%) Sensibilit au mouvement. A. Vue de ct dun cerveau de singe montrant le cortex visuel primaire (V1) gauche et une aire appele MT (ou parfois V5) dans laquelle se trouvent des neurones sensibles au mouvement. B. Exemple dun neurone sensible au mouvement qui met des potentiels daction (lignes rouges verticales) frquents en rponse au mouvement dans la direction nord-ouest , mais rares dans la direction oppose. Diffrentes colonnes de cellules dans laire MT (ou V5) codent pour diffrentes directions de mouvement. C. Un cran de tl circulaire utilis dans des expriences sur la sensibilit au mouvement dans lesquelles des points bougent dans des directions alatoires (0% de cohrence ou tous dans une mme direction (100% de cohrence. D. Plus la cohrence de mouvement des points augmente (ligne jaune), plus les rponses dun singe qui les observe correspondent la direction des points. Une microstimulation lectrique de colonnes dorientation diffrente dcale l'valuation de la direction (ligne bleue).

On peut enregistrer les neurones dans une de ces aires (MT ou V5) chez un singe qui doit dcider de la direction d'un motif de points mobiles. La plupart des points se dplacent alatoirement dans diffrentes directions mais une petite fraction d'entre eux se dplace uniformment dans une seule direction - vers le haut, le bas, la gauche ou la droite (en cohrence). L'observateur doit estimer la direction globale du mouvement. La tche peut tre trs facile quand un grand nombre de points bougent dans une mme direction, et non pas de faon alatoire, mais est bien plus ardue quand la proportion de points qui se dplacent uniformment diminue. Il s'avre que l'activit des cellules de laire V5 reflte exactement la cohrence du mouvement peru. Ses neurones rpondent de manire slective certaines directions de mouvement, et leur activit augmente proportionnellement avec la quantit de points qui se dplacent dans la direction prfre. tonnamment, quelques neurones individuels sont capables de dtecter le mouvement global des points aussi bien qu'un observateur, singe ou humain. La microstimulation de tels neurones par une lectrode d'enregistrement peut mme biaiser lestimation que le singe fait du mouvement relatif. C'est dautant plus remarquable qu'un trs grand nombre de neurones sont sensibles au mouvement visuel et on pourrait s'attendre ce que les dcisions soient bases sur l'activit de beaucoup de neurones plutt que sur celle de quelques-uns. Les dcisions au sujet de la couleur se font d'une manire semblable (voir lencadr Aux frontires de la recherche ).

Le cube de Necker semble s'inverser constamment. L'image rtinienne ne change pas, mais on voit d'abord le cube avec son coin suprieur gauche vers soi et puis comme sil reculait. Rarement, on le peroit mme comme un ensemble de lignes se croisant sur une surface plane. Il existe de nombreuses figures rversibles. Certaines ont t employes pour explorer les signaux neuraux impliqus quand le cerveau visuel dcide quelle configuration est dominante un moment donn.

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PDF Page Organizer - Foxit SoftwareAux frontires de la rechercheLes cellules sensibles la couleur. Certains neurones rpondent avec un mode de dcharge diffrent des lumires de diffrentes longueurs d'onde. Certains rpondent mieux aux grandes longueurs d'onde, d'autres aux petites. On pourrait penser que cest suffisant pour percevoir la couleur, mais l'est-ce vraiment? Comparez la dcharge de la cellule de gauche celle de droite. Pouvez-vous faire la diffrence ?

Gris

Rouge

Bleu

Vert

Vert

Bleu

Rouge

Jaune

Gauche. Ce patchwork color sappelle un Mondrian (daprs l'artiste Piet Mondrian). Il est illumin avec diffrentes combinaisons de longueurs d'onde longues, moyennes et courtes pour que chaque panneau reflte toujours exactement le mme mlange de lumire, mme si nous les percevons comme des couleurs diffrentes cause de la prsence des panneaux environnants. La cellule de gauche, enregistre dans laire V1, envoie des dcharges peu prs identiques dans tous les cas. Elle ne peroit pas la couleur, elle rpond simplement au mlange identique de longueurs d'onde reflte sur chaque panneau.

Droite. Une cellule de laire V4 vritablement sensible la couleur dcharge en rponse une zone du Mondrian que nous voyons rouge, mais beaucoup moins d'autres zones. Cette rponse diffrentielle se produit bien que le mme triplet dondes nergtiques ait t reflt sur chaque panneau. V4 pourrait donc tre laire du cerveau qui nous permet de percevoir la couleur, bien que certains scientifiques souponnent que ce ne soit pas la seule aire implique.

Croire, cest voirLaire V5 fait plus que dtecter simplement le mouvement des stimulus visuels, elle dtecte le mouvement peru. Si, par une illusion de mouvement, nous percevons que des points se dplacent dans une direction seulement cause du mouvement des points environnants, alors les neurones correspondant la zone de l'illusion enverront des dcharges diffrentes en rponse un mouvement peru vers la droite ou vers la gauche. Si le mouvement est compltement alatoire, les neurones qui prfrent normalement le mouvement vers la droite dchargeront lgrement plus dans des tests o l'observateur rapporte que le signal se dplace droite (et vice versa). La diffrence entre les dcisions neuronales droite ou gauche reflte donc le jugement de l'observateur, et pas la nature absolue du stimulus mobile. Un autre exemple de dcision et d'indcision visuelles est la raction des cibles perceptuelles qui sont vritablement ambigus, comme le soi-disant cube de Necker (voir la figure). Face ce type de stimulus, l'observateur se trouve indcis, passant constamment d'une interprtation l'autre. Une rivalit semblable existe quand l'oeil gauche voit un motif de lignes verticales tandis que l'oeil droit voit un motif de lignes horizontales. La perception qui en rsulte se nomme rivalit binoculaire, car l'observateur rapporte d'abord que les lignes verticales dominent, puis les lignes horizontales, et puis de nouveau les verticales. Les neurones de plusieurs aires du cortex visuel indiquent quand la perception de l'observateur passe d' horizontal vertical .

Notre monde visuel est un univers tonnant. La lumire qui entre dans nos yeux nous permet d'apprcier le monde autour de nous, de lobjet le plus simple jusquaux oeuvres d'art qui nous blouissent et nous sduisent. Des millions et des millions de neurones sont impliqus, dont les fonctions vont du travail d'un photorcepteur rtinien rpondant une tache de lumire jusquau neurone dans laire V5 qui dcide si un objet se dplace dans le monde visuel. Tout cela se produit apparemment sans effort dans nos cerveaux. Nous ny comprenons pas tout, mais les scientifiques avancent grands pas.Colin Blakemore a contribu comprendre comment le systme visuel se dveloppe. Il a ralis des travaux pionniers sur des cellules en culture pour tudier les interactions entre diffrentes parties d'une voie dans le cerveau embryonnaire ( gauche). A droite, nous voyons des axones (colors en vert) pousser du bas du cortex en cours de dveloppement vers d'autres fibres (orange) qui leur serrent la main avant de pousser jusqu'au cortex.

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Liens internet (en anglais): faculty.washington.edu/chudler/chvision.html http://www.ncl.ac.uk/biol/research/psychology/nsg


Le mouvementImaginez que vous attrapez une balle. Facile? On pourrait le croire, mais mme pour effectuer ce mouvement simple, votre cerveau doit faire des choses remarquables. On prend tout cela pour acquis, et pourtant cela ncessite toute une planification: la balle est-elle lgre ou lourde? de quelle direction arrive-telle et quelle vitesse? Il faut ensuite assurer la coordination: comment coordonner automatiquement vos membres pour lattraper et quelle est la meilleure manire? Et finalement: lexcution: votre bras arrivet-il au bon endroit et vos doigts se referment-ils au bon moment? Les scientifiques savent maintenant que de nombreuses zones du cerveau sont impliques. L'activit neurale dans ces zones se combine pour former une chane de commande - une hirarchie motrice - du cortex crbral et des ganglions de la base jusquau cervelet et la moelle pinire. Niveau de force

Signal EMG

Enregistrements de lactivit lectrique associe des muscles (activit lectro-myographique (EMG)).

La jonction neuromusculaireTout en bas de la hirarchie motrice, dans la moelle pinire, des centaines de cellules nerveuses spcialises appeles neurones moteurs augmentent leur activit lectrique. Sortis de la moelle, leurs axones contactent les muscles, o ils activent les fibres musculaires contractiles. Les branches terminales des axones de chaque neurone moteur forment des jonctions neuromusculaires spcialises avec un nombre rduit de fibres musculaires d'un muscle (voir la figure ci-dessous). Chaque potentiel d'action mis par un neurone moteur provoque la libration de neurotransmetteur des terminaisons nerveuses et engendre un potentiel d'action correspondant dans les fibres musculaires. Cela entrane la libration dions Ca2+ des rserves intracellulaires l'intrieur de chaque fibre musculaire, et dclenche enfin la contraction des fibres, produisant force et mouvement.

Les vnements lectriques qui se produisent dans les muscles du bras peuvent tre enregistrs avec un amplificateur, mme au travers de la peau: ces enregistrements lectro-myographiques (EMG) permettent de mesurer le niveau d'activit dans chaque muscle (voir figure ci-dessus). La moelle pinire joue un rle important dans le contrle des muscles par plusieurs voies rflexes. Parmi ces dernires, on trouve les rflexes de retrait, qui protgent des objets pointus ou chauds, et les rflexes dtirement qui ont un rle dans la posture. Le fameux rflexe rotulien est un exemple de rflexe dtirement plutt spcial puisqu'il implique seulement deux types de cellule nerveuses : les neurones sensoriels, qui signalent lallongement du muscle, relis par des synapses aux neurones moteurs, qui produisent le mouvement. Ces rflexes, avec d'autres plus complexes, forment des circuits spinaux qui organisent des comportements plus ou moins complets, tels que le mouvement rythmique des membres pendant la marche ou la course. Ceux-ci impliquent l'excitation et l'inhibition coordonnes des neurones moteurs. Les neurones moteurs sont la voie finale commune vers les muscles qui dplacent les os. Cependant, le cerveau est confront un srieux problme lorsquil s'agit de contrle l'activit de ces cellules. Quels muscles devrait-il bouger pour raliser une action donne, avec quelle amplitude, et dans quel ordre?

Pour faire se contracter les muscles, les nerfs forment des contacts spcialiss avec des fibres musculaires individuelles, appels jonctions neuromusculaires. Au cours du dveloppement, plusieurs fibres nerveuses contactent chaque fibre musculaire, mais suite une comptition entre neurones, tous sauf un sont limins. Le nerf qui a vaincu demeure alors et libre un neurotransmetteur, lactylcholine, qui agit sur des rcepteurs molculaires spcialiss au niveau de la "plaque motrice" (colore en rouge). Cette image a t obtenue en utilisant un microscope confocal.

Le haut de la hirarchie : le cortex moteurA lautre bout de la hirarchie motrice, dans le cortex crbral, un nombre ahurissant de calculs doit tre fait par des dizaines de milliers de cellules pour ch

neuroscience: science of the brain in french

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