Fonctionnement du cerveau

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I Organisation fonctionnelle du cerveau

L’exploration du cortex cérébral d’un sujet est aujourd’hui réalisable grâce aux techniques de l’imagerie médicale. L’IRM (imagerie par résonance magnétique) est une technique permettant d’obtenir des images anatomiques du cerveau correspondant à des coupes virtuelles ou en 3D, avec une précision inférieure au millimètre. Il est possible de visualiser chez une personne les structures cérébrales avec une grande précision mais aussi de déterminer les variations d’activité de certaines zones lorsque le sujet effectue une tâche déterminée, on parle alors d’IRM fonctionnelle ou IRMf.

Document 1 : Images d’Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle.

Researcher-test, par NIMH via Wikimédia Commons, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Researcher-test.jpg

800px-Modern_3T_MRI, Photographié par l' utilisateur: KasugaHuang le 27 mars 2006 à l' hôpital général Tri-Service , Taiwan ., via Wikimédia commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Modern_3T_MRI.JPG

Document 2 : Images structurelles du cerveau obtenues par IRM

f10-01-9782294753961.jpg, CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International, http://wiki.side-sante.fr/lib/exe/detail.php?id=sides%3Aref-trans%3Aimagerie_dfgsm%3Achapitre_10_traitement_de_l_image_reconstruite&media=sides:ref-trans:imagerie_dfgsm:f10-01-9782294753961.jpg

AxesAnatomieCerveau par Zwarck, Adaptation de: http://www.neur-one.fr/neurophysiologie%202B1SNCS%20g%E9n%E9ralit%E9s.pdf, CC-BY-SA-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:AxesAnatomieCerveau.png

Document 3 : IRM fonctionnelle d’une personne en train de regarder un objet sur fond noir

Functional_magnetic_resonance_imaging, par via Wikimédia Commons, Washington irving à Anglais Wikipedia, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Functional_magnetic_resonance_imaging.jpg

L’IRM fonctionnelle permet donc de déterminer le rôle de chaque territoire du cerveau. Cependant avant que l’IRM n’existe, les rôles de ces territoires étaient déterminés par l’étude des perturbations cérébrales comme les tumeurs ou les accidents vasculaires cérébraux (AVC). Un AVC est un trouble de la circulation sanguine irriguant un territoire du cerveau. Le terme d’accident est utilisé pour souligner le caractère soudain de l’apparition des symptômes : il peut en effet arriver qu’un caillot obstrue subitement une artère cérébrale ou bien que la paroi d’un vaisseau sanguin se rompt, provoquant alors une hémorragie cérébrale. La partie normalement irriguée par ce vaisseau cesse alors de fonctionner. On comprend aisément que si une partie d’une aire motrice est atteinte, la conséquence en soit une paralysie : on parle d’hémiplégie lorsque la paralysie ne touche qu’un seul côté du corps.

Document 4 : IRM structurelle d’une personne ayant subi un accident vasculaire cérébral dans l’hémisphère gauche et ayant perdu la motricité du bras droit

636px-Hemorragie_intracerebrale, par Jlguenego, propre travail,  via wikimedia commons, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hemorragie_intracerebrale.JPG

Il apparaît ainsi que des territoires du cortex cérébral (partie superficielle du cerveau) présentent des zones sensitives et des zones motrices. Ces dernières, associées à l’exécution d’un mouvement volontaire, sont les aires motrices primaires et les aires prémotrices (cortex prémoteur ou aire prémotrice APM et aire motrice supplémentaire ou AMS).

Document 5 : Cortex sensorimoteur

Cortex_sensorimoteur1 ; par via Wikimédia Commons, par Pancrat propre travail, via Wikimédia Commons, CC-BY-SA-3.0,2.5,2.0,1.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cortex_sensorimoteur1.jpg

Les aires motrices primaires situées dans chaque hémisphère cérébral, représentées en orange foncé sur le document précédent, appelées aussi cortex moteur ou zone M1, commandent directement les mouvements. Les aires prémotrices, quant à elles, jouent un rôle dans la planification de l’exécution du mouvement : AMS coordonne et planifie le geste, APM organise le mouvement. Le cortex pariétal transforme l’information visuelle en information spatiale et en intenston de mouvement.

Des explorations précises ont permis de dresser une cartographie de l’aire motrice primaire : chaque partie du corps humain est associée à un territoire défini du cortex cérébral qui assure sa commande motrice. On représente l'importance des différents territoires du cortex moteur par un "Homonculus moteur". Homonculus signifie en latin "petit homme". En médecine, l'homonculus désigne la représentation, sous forme d'une silhouette humaine, de l'importance qu'occupe chaque fonction de l'organisme dans le cerveau : il se base sur la place accordée au contrôle et à la gestion de chaque muscle par le cortex cérébral. Sachant que la plus grande partie du cortex cérébral s'occupe des muscles du visage et des mains, la silhouette obtenue est difforme. L'homonculus moteur est ainsi représenté avec de très grandes mains et une grosse tête, sur un tronc fluet. Jambes, bras et pieds sont de petites tailles.  L’homonculus somatosensoriel qui représente la projection de la sensibilité générale du corps  au niveau de l’aire somesthésique primaire lui ressemble très fortement. 

Document 6 : Homonculus moteur et Homonculus somatosensoriel en 2D

Homunculus, par Albert Kok sur Wikipedia néerlandais, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Homunculus.PNG

609px-Sensory_Homunculus-en.svg, par Fichier: 1421 Homunculus sensoriel.jpg : OpenStax College, travail dérivé: Popadius, via wikimedia commons, CC-BY-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sensory_Homunculus-en.svg

Document 7 : Homonculus somatosensoriel et moteur en 3D, Museum of Natural History, Londres, basé sur l'homoncule corticale cartographiée par le Dr Wilder Penfield.

800px-Sensory_and_motor_homunculi, par Dr Joe Kiff  via Wikimédia Commons,  CC-BY-SA-3.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sensory_and_motor_homunculi.jpg

Ainsi les principales fonctions de chaque lobe cérébral sont les suivantes :

• Les lobes frontaux : parole et langage, raisonnement, mémoire, prise de décision, personnalité, jugement, mouvements. 
• Les lobes pariétaux : lecture, repérage dans l’espace, sensibilité. 
• Les lobes occipitaux : vision
• Les lobes temporaux : langage, mémoire, émotions.

D’une manière générale, l’hémisphère droit commande le côté gauche du corps et inversement. Cependant, la répartition des fonctions à l’intérieur des lobes n’est pas totalement figée. Certaines fonctions sont gérées dans des zones différentes selon les personnes. Ainsi, la zone du langage est généralement située dans le lobe temporal gauche chez les droitiers, alors qu’elle peut être située des deux côtés chez les gauchers.

II La communication avec le reste de l’organisme

Les messages nerveux qui partent du cerveau cheminent par des faisceaux de neurones et descendent dans la moelle épinière. À différents niveaux, ces neurones sont en connexion synaptique avec les motoneurones. Ces voies motrices sont croisées de telle sorte que la commande des mouvements volontaires est controlatérale : c’est l’aire motrice de l’hémisphère cérébral droit qui commande la partie gauche du corps, et inversement. Ces voies motrices constituent la « voie pyramidale ».

Document 8 : Voie pyramidale

Gray764, par Henry Vandyke Carter, domaine publique, via Wikimédia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gray764.png

Une compression des racines des nerfs rachidiens (due par exemple, à une hernie discale) peut se traduire par des troubles moteurs. En effet, le disque intervertébral  est une structure présente entre chaque vertèbre. Il confère à la colonne vertébrale de la souplesse et a un rôle d’amortisseur.  Il est constitué d’un noyau central appelé noyau pulpeux, constitué à 80% d’eau.  Le noyau est entouré de cartilage fibreux appelé anneau fibreux. Il arrive que le disque s’use, que les fibres de l’anneau fibreux  se détériorent et que le noyau se répande dans les fissures : c’est la hernie discale. 

Document 9 : Organisation d’une section de colonne vertébrale et hernie discale à droite

800px-ACDF_coronal_english, par debivort via Wikimédia Commons, Œuvres dérivées de ce fichier:  Ernia del disco animation.gif, CC-BY-SA-3.0-migré, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ACDF_coronal_english.png

Les hernies discales touchent le niveau lombaire le plus souvent, le niveau cervical parfois, le niveau thoracique très rarement. Elles provoquent une compression de la moelle épinière et une inflammation de celle-ci. Elle peut avoir pour conséquence une interruption des voies nerveuses provenant du cerveau et des voies sensitives ascendantes. Cette interruption peut avoir pour conséquences des paralysies (troubles de la motricité) mais aussi des paresthésies (troubles de la sensibilité), d'où des handicaps (incapacité de se mouvoir, incontinence urinaire ou fécale, etc). Ces conséquences dépendent du niveau de la compression (plus ou moins haute) et de l'importance de cette dernière. Ces lésions peuvent être réversibles ou irréversibles.

Document 10 : Hernie discale au niveau des vertèbres lombaires

Lagehernia par Mjorter sur Wikipedia néerlandais, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lagehernia.png

Des lésions accidentelles de la moelle épinière, dues cette fois-ci à un choc violent (accidents de la route, chute etc..) peuvent aussi entraîner des paralysies : le territoire concerné dépend notamment du niveau de la moelle épinière concerné par la lésion. On parle de paraplégie lorsque la paralysie concerne les membres inférieurs et la partie basse du tronc et donc que la lésion de la moelle épinière a eu lieu au niveau des vertèbres thoraciques ou lombaires. On parle de tétraplégie quand les 4 membres sont paralysés et que dans ce cas la lésion a eu lieu au niveau des vertèbres cervicales.

Document 11 : Compression de la moelle épinière au niveau des vertèbres cervicales C6 et C7

538px-Compressive_myeolopathy_C6C7 par Jmarchn propre travail, via wikimedia commons, CC-BY-SA-3.0

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Compressive_myeolopathy_C6C7.png

III L’intégration d’informations multiples dans les centres nerveux

Toutes les synapses ont un principe de fonctionnement identique, mais selon le neurotransmetteur qu’elles libèrent, les synapses peuvent avoir des effets opposés sur le neurone post-synaptique.

On caractérise deux types de potentiel postsynaptique :

• le potentiel postsynaptique excitateur (ou PPSE) diminue la différence de potentiel entre les deux côtés de la membrane plasmique. Autrement dit le PPSE dépolarise localement la membrane : si la dépolarisation atteint le seuil, un potentiel d’action apparaîtra. On parle de synapse excitatrice.

• le potentiel postsynaptique inhibiteur (ou PPSI) augmente la différence de potentiel. Il hyperpolarise la membrane empêchant la naissance de tout potentiel d’action. On parle de synapse inhibitrice.

On peut citer en exemple les synapses du neurone en T impliqué dans le réflexe achilléen. Le neurone sensitif est connecté au neurone moteur situé dans la substance grise de la moelle épinière par l’intermédiaire d’une seule synapse : on parle de réflexe monosynaptique. Cependant si le muscle soléaire étiré doit se contracter pour reprendre sa position de départ, cela sous-entend que le muscle antagoniste, le jambier, ne doit pas se contracter. En effet, s'il se contracte, il augmente l’étirement du muscle soléaire et la jambe est déséquilibrée. Le muscle antagoniste doit donc absolument être inhibé lors du réflexe myotatique. Les messages issus des fuseaux neuromusculaires stimulés doivent donc provoquer la contraction du muscle étiré et le relâchement du muscle antagoniste. Or les messages nerveux destinés au muscle antagoniste sont les mêmes que ceux destinés au motoneurone. En effet la terminaison axonique du neurone sensitif se divise en plusieurs boutons synaptiques : certains sont connectés au motoneurone du muscle étiré et d’autres à un interneurone. Ce dernier est lui-même connecté au motoneurone du muscle antagoniste et a pour rôle de l’inhiber. 

La synapse avec l’interneurone est  excitatrice, mais la mise en activité de l’interneurone a un effet opposé car la synapse entre l’interneurone et le motoneurone du muscle antagoniste est inhibitrice. Dans ce cas, la formation des complexes neurotransmetteur-récepteur postsynaptiques provoque l’hyperpolarisation du motoneurone postsynaptique dont l’activité diminue. Il en résulte un relâchement du muscle antagoniste. 

La contraction du muscle stimulé permet de corriger le relâchement dû à l’étirement tandis que le relâchement du muscle antagoniste l’empêche de s’opposer à cette correction ce qui rend possible le maintien de la posture. 

Document 12 : Le réflexe achilléen et la régulation du muscle antagoniste

Par une étude expérimentale du réflexe myotatique, il est facile de montrer que l’amplitude de la réponse musculaire lors d’un réflexe varie en fonction des conditions dans lesquelles le sujet est placé. S’il contracte volontairement le muscle fléchisseur (le jambier) au moment où un réflexe myotatique est déclenché sur l’extenseur (le soléaire), la réponse de ce dernier est amoindrie. 

En effet dans ce cas, le muscle antagoniste, le jambier n’est pas inhibé mais stimulé : il se contracte car les terminaisons synaptiques issues de la voie pyramidale ont une action excitatrice sur le motoneurone du jambier. Les terminaisons synaptiques issues de la voie pyramidale sont également connectés à un interneurone inhibiteur du motoneurone alpha du soléaire : en stimulant cet interneurone, elles provoquent une inhibition du motoneurone alpha du soléaire provoquant ainsi le relâchement de ce muscle. Le relâchement forcé du soléaire par la voie pyramidale limite l’étirement subi par les fibres musculaires lors du choc, inhibant ainsi le réflexe. 

Document 13 : Réflexe achilléen et voie pyramidale

Ceci montre bien que si la contraction du muscle répond bien au stimulus (le choc porté sur le tendon), elle tient aussi compte des messages reçus simultanément par la voie pyramidale : c’est ce qu’on appelle l’intégration.

Dans un centre nerveux, un neurone reçoit donc généralement des informations provenant de plusieurs autres neurones en contact synaptique avec ses dendrites ou son corps cellulaire.

Document 14 : Des neurones en réseau, des cellules multiconnectées

lossy-page1-1024px-Neuronal_web.tif, par ALol88 propre travail,  via Wikimédia Commons, CC-BY-4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Neuronal_web.tif

Le neurone postsynaptique effectue une sommation des PPSE et PPSI :

• Sommation temporelle : si plusieurs potentiels d’action très rapprochés arrivent par la même fibre présynaptique leur effet s’accumule.
• Sommation spatiale : si plusieurs fibres nerveuses présynaptiques conduisent des potentiels d’action qui atteignent les synapses au même moment leur effet s’accumule.

Document 15 : Sommation spatiale et temporelle au niveau d’un neurone

Sommation spatiale et temporelle sans les PPS, par Allain Gallien , modifiée par Sandra Rivière http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/spip.php?article3188

Document 16 : Mesure de la polarisation de la membrane en cas de sommation temporelle et de sommation spatiale

Sommation temporelle : Alors qu’un seul PPSE (identifié X) ne génère pas de potentiel d’action, la sommation de 3 PPSE successifs est à l’origine du déclenchement d’un potentiel d’action.

Sommation spatiale : Alors qu’individuellement les 2 PPSE X et Y provenant de 2 synapses différentes ne déclenchent pas de potentiel d’action, la réalisation de ces 2 PPSE simultanément sur le neurone génère un potentiel d’action.

Sommation_Potentiel_gradués, par v propre travail, via Wikimédia Commons,  CC-BY-SA-4.0, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sommation_Potentiel_gradu%C3%A9s.jpg

Les deux sommations peuvent être effectuées en même temps. À tout instant, un neurone intègre l’ensemble des potentiels postsynaptiques. Si le résultat des sommations est une dépolarisation suffisante, des potentiels d’action sont émis sinon il reste au repos. 

Ainsi grâce à ses propriétés intégratrices, le motoneurone émet un message nerveux moteur unique tenant compte des multiples informations de diverses provenances. La fibre musculaire, en revanche, ne reçoit un message que d’un seul motoneurone : contrairement au motoneurone, une fibre musculaire n’a aucune capacité d’intégration.

Cette fonction intégratrice des neurones joue un rôle essentiel dans le traitement des messages qui transitent à tout instant dans un centre nerveux.

IV La plasticité cérébrale

Dans ses grandes lignes, l’organisation du cerveau et notamment du cortex, est la même pour tous les individus : c’est une caractéristique propre à chaque espèce. Cependant, la comparaison des cartes motrices de plusieurs individus révèle l’existence de variations : nous n’avons pas tous le même cerveau. Ces différences interindividuelles ne sont pas innées : elles s’acquièrent au cours du développement par apprentissage des gestes. Même chez l’adulte, le cerveau apprend et se réorganise. Ainsi, chez une personne nouvellement non voyante, l’aire visuelle est très vite reconvertie lors de l’apprentissage du braille. C’est ce qu’on appelle la plasticité cérébrale.

Document 17 :

Brain chrischan.jpg, par Christian R. Linder, via wikimedia commons,  CC-BY-SA-3.0-migré, modifié par Sandra Rivière, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brain_chrischan.jpg

À la suite d’un AVC, il subsiste en général dans le cerveau, une zone nécrosée, c'est-à-dire irrémédiablement détruite. Cependant, on constate le plus souvent une récupération du déficit moteur. Cette faculté de récupération est bien entendue limitée par l’importance de la lésion mais elle dépend aussi et beaucoup de la mise en œuvre rapide d’une rééducation. Cette récupération progresse sur une durée de quelques semaines à quelques mois. Cependant, elle ne correspond pas à une remise en service de la zone lésée. Les IRM fonctionnelles ont démontré que cette récupération repose sur différents remaniements, impliquant des territoires situés dans les deux hémisphères.  

La plasticité cérébrale permet une récupération parfois étonnante : ainsi plusieurs années après une amputation, le cerveau d’un patient peut se réapproprier le contrôle d’une main greffée !

On remarque sur le document suivant que les zones motrices contrôlant les muscles de la main droite se déplacent. En effet l’image de gauche montre les zones motrices de la main droite avant la greffe et l’image de droite montre la zone motrice contrôlant les muscles de la main droite après la greffe. On voit  nettement qu’une nouvelle zone du cerveau s’occupe de cette nouvelle main.

Document 18 : Vues horizontales d’un cerveau de patient greffé d’une main.

RS.2021

La plasticité dont fait preuve le cerveau est porteuse d’espoirs. En effet, on a longtemps cru que les neurones ne pouvaient se renouveler et qu’une inexorable diminution de leur nombre expliquait les symptômes du vieillissement. Or des études récentes montrent que certaines zones du cerveau disposent de cellules souches et sont donc capables de produire de nouveaux neurones capables de s’intégrer à un réseau existant. Cependant ce sont principalement des interneurones.

Document 19 : Cellules souches embryonnaires humaines et neurone différencié

319px-Human_embryonic_stem_cells, par Images: Nissim Benvenisty , via Wikimédia Commons, CC-BY-2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Human_embryonic_stem_cells.png

Les neurones à dopamines touchés dans les cas de la maladie de Parkinson, les neurones à acétylcholine qui disparaissent dans la maladie d’Alzheimer, ou encore les neurones multipolaires des zones motrices touchées par des AVC ne sont pas remplacés.  

Document 20 : Comparaison d’un cerveau normal âgé et d’un cerveau de patient atteint d’Alzheimer

800px-Alzheimer's_disease_brain_comparison, par via wikimedia commons, travail dérivé: Garrondo ( discussion ), SEVERESLICE_HIGH.JPG : ADEAR: "Alzheimer's Disease Education and Referral Center, un service de l'Institut national sur le vieillissement.", PRECLINICALSLICE_HIGH.JPG : ADEAR: "Alzheimer's Disease Education and Referral Center, un service de l'Institut national sur le vieillissement.", domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alzheimer%27s_disease_brain_comparison.jpg

Ainsi le nombre de neurones nouvellement formés chaque jour est de 1 pour 2000 neurones existants. Il nous reste à découvrir leurs potentialités. Ceci permet d’envisager à terme, des possibilités de traitement des maladies dites neurodégénératives : les neurones sont un capital à préserver et à entretenir.

Le cerveau : fonctionnement- SVT - SANTÉ Term spé #4 - Mathrix