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JeanPierre Henry Laboratoire Ma1ère et Systèmes Complexes, Université Paris Diderot hAp://www.msc.univparisdiderot.fr/~henry/ UNIVERSITÉ OUVERTE 20152016 Peuton comprendre le fonc0onnement du cerveau ?

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Jean-­‐Pierre  Henry  Laboratoire  Ma1ère  et  Systèmes  

Complexes,  Université  Paris  Diderot  

hAp://www.msc.univ-­‐paris-­‐diderot.fr/~henry/  

UNIVERSITÉ  OUVERTE  2015-­‐2016  

Peut-­‐on  comprendre  le  fonc0onnement  du  

cerveau  ?  

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Résumé  du  cours  précédent  

•  Une  synapse  est  caractérisée  par  la  nature  chimique  du  neurotransme*eur  qu’elle  libère    

•  Le  glutamate  est  le  prototype  des  neurotransmeAeurs  ac1vateurs,  le  GABA  des  inhibiteurs  

•  Le  processus  de  libéra1on  (exocytose)  est  déclenché  par  l’augmenta1on  des  ions  Ca2+  (permet  la  visualisa1on)  

•  Le  neurotransmeAeur  peut  agir  en  aval  sur  un  récepteur  canal  (ionotrope)  ou  un  récepteur  métabotrope  

•  Dans  le  premier  cas,  il  modifie  la  valeur  du  poten1el  de  repos:  dépolarisa1on  ou  hyperpolarisa1on  

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Résumé  du  cours  précédent  

•  Les  récepteurs  métabotropes  (cible  de  nombreux  médicaments)  sont  couplés  avec  des  protéines  G  intracellulaires  

•  Les  protéines  G  sont  des  interrupteurs  qui  vont  déclencher  des  cascades  cellulaires  et  la  libéra1on  de  seconds  messagers  intracellulaires  

•  Les  seconds  messagers  peuvent  modifier  de  diverses  manières  la  force  d’une  synapse  (quan1té  de  neurotransmeAeurs  libéré)  

•  CeAe  modifica1on  peut  être  de  durée  variable;  quand  le  programme  géné1que  est  mis  en  route,  la  modifica1on  peut  être  stable  (mémoire)  

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Organisa1on  et  développement  du  cerveau  

Cours  4  

28  Janvier  2016  

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Régionalisa1on  du  cerveau  adulte    

•   Dans  l’introduc1on,  nous  avons  présenté  une  vue  d’ensemble  

• La  par1e  visible  cons1tue  les  hémisphères  cérébraux  • Sur  le  plan  anatomique,  on  dis1ngue:  les  cortex  frontaux,  temporaux,  pariétaux  et  occipitaux  •   Ces  structures  sont  paires  et  elles  recouvrent  d’autres  structures,  plus  centrales  •   L’anatomiste  Brodman  a  dis1ngué  52  aires  

•   Quelles  sont  les  fonc1ons  de  ces  aires?  Le  fonc>onnement  du  cerveau  est-­‐il  régionalisé?  

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La  phrénologie  (1)  

•  Franz  Gall  (1758-­‐1828),  médecin  autrichien  avait  pour  théorie  que  le  renforcement  d’un  trait  de  caractère  cérébral  se  marquait  par  un  épaississement  d’une  par1e  du  cerveau,  visible  dans  la  forme  du  crâne.    

•  Il  dis1nguait  27  traits  différents:  ins1nct  de  reproduc1on,  ami1é,  ruse,  vanité,…    

•  L’Eglise  lui  reprochant  de  «  meAre  l’âme  dans  la  ma1ère  »,  il  s’installa  en  France  

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La  phrénologie  (2)  

•  Son  succès  fut  plus  mondain  que  scien1fique  

•  Son  travail  influença  vraisemblablement  les  études  criminologiques  du  19ème  siècle  

•  Seul  reste:  la  «  bosse  des  maths  »    

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Les  signes  cliniques  Broca  et  l’aphasie  (1)  

•  Paul  Broca  (1824-­‐1880),  enfant  prodige  et  scien1fique  produc1f  a  examiné  un  malade,  Leborgne,  qui  ne  disait  qu’un  mot  «  Tan  »  

•  A  sa  mort  (neurosyphilis),  on  observa  une  lésion  de  la  par1e  postérieure  du  lobe  frontal  gauche    

•  Broca  désigna  ceAe  zone  comme  l’aire  de  la  parole  et  souligna  la  latéralisa>on  (on  parle  avec  l’hémisphère  gauche)  

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Broca  et  l’aphasie  (2)  

•  Les  travaux  de  Broca  furent  confirmés  et  complétés  par  Carl  Wernicke  (1848-­‐1905)  

•  Celui-­‐ci  montra  qu’une  seconde  zone  était  impliquée,  les  deux  formes  d’aphasie  ayant  des  caractéris1ques  différentes    

"ça  alors,  je  suis  en  sueur,  je  suis  terriblement  nerveux,  vous  savez,  de  temps  en  temps,  je  me  laisse  ra7raper,  je  ne  peux  pas  être  ra7rapé,  je  ne  dirai  rien  du  gourcias,  voilà  un  mois  [...]  il  faut  que  je  courre  à  droite  à  gauche,  que  je  surveille,  le  narbot  et  tous  ces  trucs."7  

•  Pas  de  compréhension  de  la  parole  

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La  triste  histoire  de  Phineas  Gage  

•  En  1848,  Gage,  contremaître  engagé  dans  la  construc1on  d’une  ligne  de  chemin  de  fer  dans  le  Vermont,  est  accidenté  

•  Une  barre  à  mine  traverse  son  crâne    complètement,  détruisant  le  lobe  frontal  gauche  

•  Il  survécut  12  ans,  avec  des  dégâts  physiques  minimes  (perte  d’un  œil,  ptose)  

•  En  revanche,  on  nota  des  changements  de  comportement  marqués  

•  Antonio  Damasio  aAribue  au  cortex  orbito-­‐frontal  un  rôle  important  dans  les  rapports  sociaux  

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Un  centre  de  la  lecture?  L’aide  de  la  clinique  

•  En  1892,  le  neurologue  JJ  Déjérine  décrit  le  premier  cas  d’alexie  pure.  

•  En  une  nuit,  le  pa1ent  perd  la  capacité  de  lire  sans  que  son  acuité  visuelle  ne  soit  affectée  

•  Il  trace  difficilement  les  leAres,  mais  ne  les  nomme  pas;  la  reconnaissance  des  chiffres  n’est  pas  affectée  

•  La  zone  affectée  est  localisée  (autopsie)  :  occipito-­‐temporale  gauche  

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Mémoire  et  neurologie  

•  Le  cas  de  HM:  un  jeune  homme  avec  une  épilepsie  grave  

•  Il  est  opéré  en  1953  à  l’âge  de  27  ans;  une  par1e  importante  de  l’hippocampe  lui  est  re1rée  

•  Il  a  perdu  la  mémoire  déclara>ve  à  long  terme  

•  Il  oublie  tout  fait  après  qqes  minutes;  ne  se  souvient  de  rien  après  1953  

•  Il  a  toujours  ses  souvenirs  anciens;  son  intelligence  n’est  pas  affectée  

•  Il  a  vécu  jusqu’en  2008,  à  l’âge  de  82  ans  

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La  mesure  intracrânienne  des  phénomènes  électriques  

•  L’épilepsie  est  une  affec1on  grave  qui  peut  être  invalidante;  il  existe  des  traitements  chimiques  mais  ceux-­‐ci  sont  inefficaces  dans  15%  des  cas  

•  On  envisage  un  traitement  chirurgical:  abla1on  de  l’aire  lésée  :  on  effectue  une  trépana1on  sous  anesthésie,  puis  on  réveille  le  pa1ent  et  on  implante  des  électrodes  pour  repérer  la  zone  lésée  et  évaluer  les  conséquences  de  son  abla1on  (ceAe  phase  est  indolore)  

•  CeAe  approche  a  été  développée  par  Wilder  Penfield  (1891-­‐1976),  à  Montréal    

•  Sur  plus  de  400  pa1ents  opérés,  il  a  obtenu  des  milliers  de  données  (et  50%  de  succès)  

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L’Homunculus  de  Penfield  (1)    

•   Il  effectue  de  mul1ples  s1mula1ons  qui  lui  permeAent  d’établir  des  cartes  des  aires  sensorielles  et  motrices  

•   L’aire  sensorielle  est  dans  la  par1e  antérieure  du  cortex  pariétal  

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L’Homunculus  de  Penfield  (2)    

•  Elle  se  présente  sous  forme  d’une  carte:  «  somatotopique  »,  représentant  le  corps  (homunculus)  déformé  en  fonc1on  de  la  sensibilité  

•  Établies  dans  les  années  1950,  ces  cartes  sont  toujours  u1lisées  

•  La  s1mula1on  des  aires  frontales  et  temporales  ranimait  parfois  des  souvenirs  très  anciens  ou  donnait  des  sen1ments  de  déjà  vu  

Des  cartes  semblables,  moins  précises,  existent  pour  les  aires  motrices  

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Les  aires  motrices  primaires  

•  L’aire  motrice  primaire  est  située  à  l’arrière  du  cortex  frontal,  au  bord  de  la  scissure  centrale  

•  Des  s1mula1ons  électriques  dans  ceAe  aire  déclenchent  des  contrac1ons  musculaires  

•  Il  y  a  une  représenta1on  du  corps  avec  plus  de  surface  sur  les  zones  à  mouvement  fin  

•  La  s1mula1on  à  gauche  contracte  un  muscle  à  droite  

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Le  cerveau  est  régionalisé  

•  Dans  les  hémisphères  cérébraux,  les  fonc1ons  sont  localisées  dans  des  aires,  parfois  connectées    

•  La  parole  implique  les  aires  de  Broca  et  de  Wernicke  

•  L’imagerie  par  IRM  fonc>onnelle  permet  d’étudier  les  aires  de  manière  non  intrusive  

•  Les  aires  visuelles,  de  la  parole,  motrices,  sensorielles  sont  bien  connues  

•  Ces  connaissances,  celles  obtenues  sur  les  pa1ents  épilep1ques  et  celles  obtenues  chez  le  singe  permeAent  d’aborder  la  ques1on  des  interfaces  cerveau-­‐machine      

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Interface  Cerveau-­‐Machine  (1):  Implanta1on  d’électrodes  intracérébrales  

•  Le  pa1ent  est  tétraplégique  

(Hochberg  et  al  (2006)  Nature  442,  164)  

•  Le  disposi1f  montré  en  a  est  implanté  (l’échelle  est  indiquée)  

•  Le  disposi1f  comporte  96  électrodes  (b),  placées  dans  la  zone  contrôlant  la  motricité  

•  c)  la  flèche  montre  l’implanta1on  

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Interface  Cerveau-­‐Machine  (2):  Implanta1on  d’électrodes  intracérébrales  

•  On  suit  l’ac1vité  électrique  individuelle  des  neurones  implantés  

•  En  haut:  on  demande  au  sujet  de  penser  qu’il  ouvre  et  ferme  sa  main;  les  3  lignes  mesurent  l’ac1vité  de  3  neurones  

•  En  bas:  on  demande  de  déplacer  sur  l’ordinateur  le  point  hors  du  carré;  5  neurones  sont  suivis;  selon  la  tâche,  des  neurones  différents  s’ac1vent  

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Interface  Cerveau-­‐Machine  (3)  Implanta1on  d’électrodes  intracérébrales  

•   En  haut,  le  technicien  trace  une  courbe  (rouge)  et  le  pa1ent  reproduit  le  tracé  • En  bas,  il  doit  relier  les  points  verts  et  éviter  les  rouges  •   En  pra1que,  il  peut  ouvrir  des  e-­‐mails  et  jouer  à  des  jeux  vidéo  •   Ces  travaux  préliminaires  montrent  qu’il  est  possible  de  déchiffrer  les  signaux  électriques  du  cerveau    •   Après  filtrage  des  ac1vités  électriques,  le  pa1ent  peut  faire  différentes  ac1vités  sur  l’ordinateur  

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Interface  Cerveau-­‐Machine  (4)  Développement  de  neuroprothèses  

•  Chez  une  pa1ente  paralysée  depuis  13  ans,  on  implante  2x96  électrodes  (2  fois  4x4  mm)  

(Collinger  et  al  (2013)  The  Lancet,381,  557)  

•   Images  IRMf  •   Jaune:  flexion  de  doigt  •   Rouge:  prise  de  la  main  •   Bleu:  haussement  d’épaule  •   Vert:  pincement  des  lèvres  •   Les  deux  carrés  noirs  correspondent  aux  électrodes  

•  L’appren1ssage  commence  par  suivre  l’ac1vité  neuronale  quand  le  bras  bouge  avec  7  degrés  de  liberté  

•  Après  extrac1on  et  développement  d’algorithme,  c’est  la  pa1ente  est  capable  de  manœuvrer  le  bras  avec  des  mouvements  naturels  

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Interface  Cerveau  machine:  Neuroprothèse    

(Collinger  et  al  (2013)  The  Lancet,381,  557)  

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Futur  des  interfaces  Cerveau-­‐Machine  

•  Les  progrès  médicaux  viendront  du  décryptage  des  signaux  cérébraux  et  de  l’améliora1on  des  disposi1f  d’électrodes  

•  La  figure  montre  des  aires  où  se  forment  les  inten>ons  

•  Implanter  dans  ces  aires  donnera  des  mouvements  plus  naturels  

(Andersen  et  al  (2014)  Current  Biol,  24,  R885)  

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L’état  de  l’art:  transmission  de  cerveau  à  cerveau  

•  Le  rat  de  gauche  (encoder)  est  condi1onné  à  appuyer  sur  le  levier  correspondant  à  la  LED  allumé  

•  L’ac1vité  électrique  de  la  par1e  impliquée  de  son  cerveau  est  mesurée  en  con1nu  et  un  signal  en  est  extrait  

•  Ce  signal  est  injecté  dans  le  cerveau  du  rat  de  droite  (decoder)  qui  se  dirige  du  bon  côté  sans  indica1on  externe  

(Pais-­‐Vieira  et  al.(2013)  Sci  Rep  3)  

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Développement  du  cerveau  

Une  affaire  de  gènes?  

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Le  cerveau  est  l’extrémité  d’un  tube!  (1)  

•  Au  cours  de  la  gesta1on,  le  système  nerveux  apparaît  comme  un  tube  dont  l’extrémité  antérieure  va  se  différencier  pour  former  le  cerveau  

•  À  gauche,  vue  latérale;  à  droite,  vue  de  dessus  •  À  ce  stade,  la  par1e  creuse  est  bien  visible  •  Des  structures  se  forment  par  stric1on  et  repliement      

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Le  cerveau  est  l’extrémité  d’un  tube!  (2)  

•  À  un  stade  ultérieur,  on  voit  apparaître  des  structures  paires  (vésicules  op1ques,  qui  vont  donner  la  ré1ne;  télencéphale)  

•  La  par1e  rouge  va  donner  le  tronc  cérébral  et  le  cervelet  •  La  par1e  verte  (mésencéphale)  le  raphé,  la  substance  noire  •  Le  diencéphale,  le  thalamus,  organe  pair  •  Le  télencéphale,  les  hémisphères  cérébraux,  qui  vont  tout  

recouvrir  

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Le  cerveau  est  l’extrémité  d’un  tube!  (3)  

•  À  la  fin  du  second  trimestre,  la  forme  générale  est  acquise  •  Remarquez  la  scissure  latérale  (scissure  de  Sylvius)  et  le  sillon  

(sulcus)  central  qui  définiront  les  aires  cérébrales  •  En  coupe,  il  ne  subsiste  de  la  lumière  du  tube  que  les  ventricules;  

le  thalamus  (diencéphale)  est  visible  •  La  couleur  plus  claire  correspond  à  la  «  substance  blanche  »    

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La  géné1que  organise-­‐t-­‐elle  le  cerveau?  

(Changeux  2009)  

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Comment  se  forme  le  cerveau  

•  Les  cellules  souches  embryonnaires  peuvent  évoluer  en  tous  les  types  cellulaires  (>  200)  

•  L’expérience  montre  que  in  vitro  ces  cellules  cul1vées  en  présence  de  facteurs  par1culiers  se  différencient  en  neurones  et  cellules  gliales  

•  Ces  cellules  interagissent  les  unes  avec  les  autres  pour  s’organiser  en  «  pseudo  »  structures  cérébrales  

•  Des  connec1ons  fonc1onnelles  s’établissent  entre  les  cellules    

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Développement  du  cerveau:  Créer  un  «  cerveau  »  dans  une  éprouveAe  (1)  

•   Des  cellules  souches  embryonnaires  (hES)  ont  été  mises  en  culture  dans  des  milieux  inducteurs  et  les  «  agrégats  »  cellulaires  inclus  dans  un  gel,  puis  cul1vés  en  suspension  (échelle:  0,2  mm)  

(Lancaster  et  al  (2013)  Nature  501,  373)  

•   Des  «  organoïdes  »  avec  des  spécialisa1ons  observées  sur  le  cerveau  sont  visibles    

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Développement  du  cerveau:  Créer  un  «  cerveau  »  dans  une  éprouveAe  (2)  

Barre:  0,  2  mm  

•   Les  organoïdes  ont  été  fixés  puis  colorés  avec  des  marqueurs  spécifiques  du  cerveau  • L’image  supérieure  montre  une  morphologie  complexe,  les  cellules  vertes  sont  des  neurones,  les  rouges  des  cellules  précurseurs  

• L’image  inférieure  montre  une  stra1fica1on  correspondant  à  l’organisa1on  d’une  ré1ne    

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Développement  du  cerveau:  Créer  un  cerveau  dans  une  éprouveAe  (3)  

Les  «  organoïdes  »  con1ennent  des  neurones  fonc1onnels:  un  éclair  correspond  à  l’ac1va1on  d’un  neurone  

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Et  après…  

(Changeux  2009)  

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Développement  non  géné1que  

•  Une  théorie  darwinienne  de  la  stabilisa>on  sélec>ve  a  été  proposée  par  Changeux  et  Danchin  

)    

(Changeux  et  Danchin  (1976)  Nature,264,  705  

•   Le  développement  conduit  à  une  augmenta1on  de  la  connec>vité  (nombre  des  synapses)  allant  vers  le  maximum  de  diversité  

•  Lorsque  des  circuits  sont  employés  (ac1vité  neuronale),  ils  sont  stabilisés,  les  autres  dégénèrent;  ceAe  hypothèse  associe  structure  (anatomie)  et  fonc1on  

•   la  vision  chez  le  chaton  est  un  argument  

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Le  développement  de  la  vision  chez  le  chaton  Hubel  et  Wiesel,  Prix  Nobel  1982  (1)  

•  Les  images  formées  sur  la  ré1ne  sont  transférées  dans  une  aire  spécialisée  de  l’arrière  du  cerveau  (cortex  occipital)  

•  Un  neurone  du  cortex  occipital  reçoit  l’informa1on  (pinceau  lumineux  sur  un  œil)  soit  de  l’un  des  deux  yeux,  soit  des  deux  yeux.  On  classe  les  neurones  en  7  groupes  selon  leur  «  dominance  oculaire  »  

•  Dans  la  situa1on  normale,  l’informa1on  vient  majoritairement  des  deux  yeux  (groupes  3  et  4)    

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Le  développement  de  la  vision  chez  le  chaton  Hubel  et  Wiesel,  Prix  Nobel  1982  (2)  

•   Les  expérimentateurs  suturent  les  paupières  d’un  œil  à  la  naissance  pendant  2,5  mois  (B)  

•   Ils  testent  la  dominance  oculaire  après  38  mois  •   Malgré  le  long  délai,  l’ac>vité  des  neurones  reste  monoculaire  

•   La  suture  chez  l’adulte  ne  modifie  pas  la  dominance  (C)  •   L’absence  de  fonc1onnement  chez  le  jeune  a  modifié  irréversiblement  le  fonc1onnement  des  circuits  

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Quelles  modifica1ons  a  entrainé  la  vision  monoculaire?  

•  Le  dessin  représente  les  terminaisons  d’un  axone  se  projetant  sur  le  cortex  visuel  

•  En  haut,  avant  l’établissement  de  la  dominance  oculaire:  la  terminaison  occupe  un  grand  espace  

•  Milieu,  plus  tard,  la  terminaison  laisse  la  place  pour  un  neurone  de  l’autre  œil  

•  Bas,  à  la  même  date,  avec  vision  monoculaire,  pas  de  place  libre.  

•  L’organisa1on  binoculaire  est  le  résultat  d’une  compé11on  

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Le  développement  de  la  vision  chez  le  chaton  Hubel  et  Wiesel,  Prix  Nobel  1982  (4)  

•  La  dépriva1on  (vision  monoculaire)  a  un  effet  qui  dépend  de  la  date  à  laquelle  elle  est  infligée  

•  L’effet  est  maximum  à  4  semaines:  6  jours  ont  l’effet  observé  après  2,5  mois  

•  On  parle  de  plas>cité  synap>que,  possibilité  de  changer  les  connec1ons    

•  La  plas1cité  synap1que  existe  pendant  une  fenêtre  temporelle:  période  cri>que  

•  Ce  phénomène  est  important  pour  op1miser  les  appren1ssages:  musique,  langues  étrangères  

•  Les  fenêtres  ne  sont  pas  les  mêmes  pour  tous  les  circuits    

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La  régionalisa1on  est-­‐elle  intangible?  

La  plas1cité  neuronale  

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Changement  de  la  carte  sensorielle  après  amputa1on    

•   Chez  le  singe,  il  y  a  une  carte  sensorielle,  comme  chez  l’homunculus  •   En  B,  on  voit  la  représenta1on  de  la  main:  chaque  doigt  a  une  aire  •   Après  amputa1on  du  troisième  doigt,  l’aire  correspondante  du  cortex  est  silencieuse,  puis  elle  s’étend  pour  couvrir  les  doigts  2  et  4  •   Ces  changements  de  territoire  expliquent  la  sensa1on  de  membres  fantômes    

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Motricité  après  un  accident  vasculaire  cérébral  

•  Après  l’accident  (à  gauche  dans  le  cerveau,  paralysie  à  droite),  il  y  a  une  récupéra1on  sur  une  année  

•  Le  suivi  en  IRM  fonc1onnelle  pendant  des  tests  moteurs  montre  des  changements  corrélés  aux  progrès  musculaires  

•  Ces  changements  sont  surtout  des  ac1vités  diminuées:  changements  dans  le  câblage  

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Exercice    et  AVC  •   Après  un  AVC  du  côté  gauche,  perte  de  la  mobilité  de  la  main  droite  •   Les  mouvements  restants    du  doigt  ac1vent  les  aires  sensorimotrices  et  motrices  droites  •   Cela  indique  une  inversion  de  la  latéralité    (index  néga1f)  •   On  entreprend  une  rééduca1on  intensive  (20  séances  de  45  min)  •   A  l’issue  de  ceAe  période,  la  mobilité  du  doigt  a  récupéré  et  l’ac1va1on  cérébrale  est  repassée  à  gauche    

(Carey  et  al  (2002)  Brain,  125,  773)  

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Langage  après  un  accident  vasculaire  cérébral  

(Saur  et  al  (2006)  Brain,  129,  1371)    

•   Un  AVC  du  côté  gauche  (fig)  peut  affecter  les  aires  du  langage  (Broca,  Wernicke)  et  dans  certains  cas  une  récupéra1on  est  possible  •   La  figure  montre  les  aires  ac1vées  dans  des  tests  effectués  dans  l’IRM  •   Contrôle:  ac1va1on  à  gauche  des  deux  aires  du  langage;  Acute:  après  la  crise:  pas  de  parole  ni  d’ac1va1on;  la  récupéra1on  se  fait  en  deux  temps:  implica1on  à  droite  de  la  symétrique  de  Broca,  puis  retour  à  gauche  

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Lire  avec  le  cerveau  droit  

•   Une  pe1te  fille  a  de  graves  problèmes  (maladie  de  Sturge-­‐Weber)  produisant  des  crises  épilep1ques  •   A  l’âge  de  5  ans,  après  l’acquisi1on  du  langage  et  avant  celle  de  l’écriture,  on  lui  enlève  une  frac1on  du  lobe  occipital  gauche  •   Elle  ne  possède  plus,  à  gauche,  l’aire  de  reconnaissance  de  la  forme  des  mots,  nécessaire  à  la  lecture    •   Elle  est  capable  de  lire  et  une  aire  symétrique  s’ac1ve  à  droite  pendant  la  lecture  

(Cohen  et  al  (2004)  Ann  Neurol,  56,  890)  

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Un  demi-­‐cerveau  suffit:  l’histoire  de  Nico  A  BaAro  (2003)  Ed  Odile  Jacob  

•   Nico  a  été  opéré  à  3  ans  et  7  mois:  on  lui  a  enlevé  l’hémisphère  droit  •   Il  a  un  langage  écrit  et  oral  excellent;  il  a  un  diplôme,  des  compétences  en  escrime  et  en  dessin  •   Il  a  des  faiblesses  musculaires  et  une  vision  limitée  sur  une  moi1é  du  corps  

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La  plas1cité  neuronale  

•  Ces  exemples  montrent  que  le  cerveau  est  adaptable;  dans  ces  cas,  il  n’y  a  pas  de  régénéra1on  de  neurones  

•  Les  mécanismes  sont  mal  connus:  il  est  vraisemblable  que  le  cerveau  est  redondant  et  que  toutes  les  voies  alterna1ves  n’ont  pas  dégénéré  mais  sont  inhibées  

•  La  s1mula1on  et  la  plas1cité  synap1que  (LTP)  permeAraient  l’u1lisa1on  de  ces  voies    

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Et  le  vieillissement?  (1)  

•  En  dehors  des  pathologies  (Alzheimer),  on  observe  une  légère  diminu1on  du  poids  du  cerveau  avec  l’âge,  vraisemblablement  due  à  une  mort  neuronale  et/ou  perte  de  connec1vité  

•  L’entre1en  de  l’ac1vité  neuronale  est  un  bon  remède  

•  Il  se  crée  de  nouveaux  circuits  permeAant  d’accomplir  les  mêmes  tâches        

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Et  le  vieillissement?    

•  L’Imagerie  par  Résonance  Magné1que  fonc1onnelle  (fIRM)  permet  de  suivre  l’ac1vité  neuronale  pendant  un  test  psychologique  

(Cabeza  et  al  (2002)  NeuroImage,  17,  1394)  

•  Chez  le  sujet  jeune,  le  souvenir  se  matérialise  dans  des    zones  bien  définies  

•  Chez  la  personne  âgée  non  entrainée,  la  réponse  cérébrale  est  plus  diffuse  

•  Chez  un  sujet  entrainé,  une  nouvelle  zone  s’ac1ve      

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Les  neurones  peuvent-­‐ils  régénérer  ?  

La  neurogénèse  dans  le  cerveau  adulte  

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Les  neurones  peuvent-­‐ils  régénérer  ?    

•  Une  histoire  peut  en  cacher  une  autre!  

Depuis  Cajal,  la  réponse  est  non:  vos  neurones  ont  votre  âge!  

•  En  étudiant  le  chant  des  serins,  Fernando  NoAebohm  note  que  le  chant  varie  d’une  année  à  l’autre  

•  Le  chant  est  stable  au  printemps,  puis  instable  et  il  disparaît  avant  une  nouvelle  instabilité  au  début  du  printemps  

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Les  neurones  peuvent-­‐ils  régénérer  ?  (2)  

•  Travaillant  sur  la  produc1on  du  chant,  les  auteurs  iden1fient  les  voies  neuronales  impliquées  

•  Ils  constatent  que  le  noyau  HVC  diminue  de  taille  et  perd  des  neurones  en  octobre  et  en  janvier  

•  En  revanche,  ces  neurones  semblent  récupérer  en  mars  

•  Ils  proposent  l’alternance  de  mort  neuronale  et  de  «  neurogénèse  »  

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Les  neurones  peuvent-­‐ils  régénérer  ?  (3)  

•  CeAe  hypothèse  est  audacieuse  et  la  communauté  scien1fique  est  scep1que  

(No7ebohm  (2004)  Ann  NY  Acad  Sci,1016,  628)  

•  La  preuve  est  faite  par  injec1on  de  thymidine  radioac1ve,  un  nucléo1de  qui  ne  s’incorpore  dans  l’ADN  qu’à  la  mitose  

•  Le  neurone  de  la  photo    provient  du  noyau  HVC,  par  électrophysiologie,  il  réagit  à  des  chants  et  il  est  radioac>f  

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Les  neurones  peuvent-­‐ils  régénérer  ?  (4)  L’hypothèse  des  cellules  souches  

•  Les  expérimentateurs  ont  ensuite  établi  que  les  nouveaux  neurones  provenaient  d’une  zone  différente  du  cerveau;  Ils  migraient  ensuite  vers  le  noyau  VTA  

•  Une  cellule  souche  est  une  cellule  capable  d’une  «  division  asymétrique  »:  l’une  des  filles  est  iden1que  à  la  mère,  la  seconde  se  différencie  en  cellule  gliale  ou  neurone.  CeAe  division  se  fait  dans  une  «  niche  »  

•  C’est  le  progéniteur  qui  migre  et  dans  l’environnement  favorable  (VTA)  donne  un  neurone  

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Les  neurones  peuvent-­‐ils  régénérer  ?  (5)  

•  Chez  le  canari,  un  contrôle  hormonal  au  moment  de  la  reproduc1on  élève  le  taux  d’un  facteur  de  croissance  neuronal  

•  Sous  son  influence,  des  cellules  souches  neuronales  se  différencient  et  migrent  pour  s’incorporer  dans  les  réseaux  neuronaux  contrôlant  le  chant  

•  Les  nouveaux  réseaux  par1cipent  à  l’appren1ssage  d’un  nouveau  chant  

•  La  neurogénèse  adulte  est-­‐elle  limitée  à  cet  exemple?    

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La  neurogénèse  chez  les  rongeurs  

•   Des  neurones  «  neufs  »  s’ajoutent  dans  deux  régions  du  cerveau:  le  bulbe  olfac1f  et  l’hippocampe  •   Pour  le  bulbe,  la  niche  des  cellules  souches    est  éloignée  et  les  progéniteurs  vont  migrer  (RMS)  avant  d’intégrer  le  bulbe  •   Dans  l’hippocampe,  la  migra1on  est  plus  limitée  •   Dans  les  deux  cas,  on  considère  que  des  facteurs  chimiques  rencontrés  pendant  la  migra1on  dirigent  les  progéniteurs  soit  vers  des  neurones  soit  vers  des  cellules  gliales  

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Neurogénèse  chez  l’homme  Comment  connaître  l’âge  de  nos  neurones  (1)  

•  Les  essais  de  bombes  atomiques  ont  produit  du  14C  radioac1f  qui  s’est  incorporé  dans  les  cellules  

(Spalding  et  al  (2013)  Cell,  153,  1219)  

•  Au  moment  d’une  division,  le  taux  de  14C  dans  l’ADN  est  celui  présent  dans  l’atmosphère  

•  Si  les  neurones  ne  se  divisent  pas,  le  taux  trouvé  dans  le  cadavre  est  le  même  qu’à  la  naissance;  si  division,  taux  différent  

•  On  examine  uniquement  les  neurones  d’une  aire,  l’hippocampe,  impliquée  dans  la  mémoire    

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Neurogénèse  chez  l’adulte    Comment  connaître  l’âge  de  nos  neurones  (2)  

•  Le  diagramme  montre  la  varia1on  de  14C  dans  l’air,  le  pic  correspond  à  la  période  des  essais  nucléaires  

•  On  mesure  le  14C  dans  l’ADN  du  noyau  de  neurones  de  l’hippocampe  (horizontale)  et  on  reporte  à  l’âge  de  naissance  

•  S’il  y  a  division,  pour  les  sujets  nés  avant  le  pic,  les  points  sont  au-­‐dessus  de  la  courbe  et  pour  ceux  nés  après,  en  dessous  

•  Une  structure  de  l’hippocampe  est  renouvelée,  700  neurones  par  jour,  soit  1,75%  du  total/an  

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Neurogénèse  chez  l’adulte    Comment  connaître  l’âge  de  nos  neurones  (3)  

•  Le  gyrus  denté,  une  par1e  de  l’hippocampe  (au  dessus  du  trait)  est  régulièrement  renouvelée:  les  neurones  qui  disparaissent  (noir)  sont  remplacés  par  les  gris.  Rôle  dans  la  mémoire?  

•  Chez  l’homme,  renouvellement  dans  le  striatum,  mais  pas  dans  le  bulbe  olfac1f  

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Qu’avons  nous  appris?  

•  Le  cerveau  est  divisé  en  aires  fonc1onnelles,  par1cipant  à  des  ac1ons  concrètes  ou  psychiques  

•  L’analyse  de  ces  aires  est  faite  à  par1r  de  lésions,  d’images  IRM  et  de  mesures  électriques  

•  La  connaissance  détaillée  de  ces  aires  permet  le  développement  des  interfaces  cerveau-­‐machine  

•  Le  développement  du  cerveau  n’est  pas  régi  uniquement  par  la  géné1que  

•  A  une  période  de  foisonnement  de  la  connec1vité  suit  une  période  de  sélec1on  guidée  par  le  fonc1onnement  des  réseaux,  pendant  des  périodes  cri1ques  

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Qu’avons  nous  appris?  

•  La  régionalisa1on  du  cerveau  n’est  pas  figée:  des  condi1ons  par1culières  (AVC  par  exemple)  peuvent  conduire  le  cerveau  à  ré-­‐organiser  ses  circuits  

•  C’est  la  plas1cité  neuronale,  qui  s’accorde  avec  les  mécanismes  ini1aux  du  développement  

•  La  neurogénèse  (appari1on  de  nouveaux  neurones)  est  très  limitée  chez  les  organismes  supérieurs  

•  Chez  l’homme,  elle  a  été  uniquement  démontré  dans  l’hippocampe  

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LES  ORGANES  SENSORIELS  

Prochain  cours