Le cerveau réparé

La science ne cesse de faire des pas de géants. Elle apporte de nouveaux savoirs sur le vivant et laisse entrevoir de nouvelles stratégies pour soigner l’homme.

En cardiologie, par exemple, la société française Carmat a réussi la prouesse, en décembre 2013, d’implanter le tout premier cœur artificiel. Cette prothèse autonome a été construite par des ingénieurs en collaboration avec des équipes médicales. La greffe de ce cœur mécanique a été une étape décisive de réparation mais aussi d’amélioration des fonctions vitales de l’homme, avec une espérance de vie plus longue. Toutefois, ce cœur artificiel n’a pour l’instant accordé qu’un répit de un à neuf mois, aux quelques malades implantés au cours d’essais cliniques. Le début d’une aventure extraordinaire.

Autre saut technologique récent : la rétine artificielle, dont plusieurs dispositifs sont testés en Allemagne, aux Etats-Unis et en France. Il s’agit la plupart du temps de lunettes munies d’une caméra qui remplace les cellules de la rétine (cellules qui dégénèrent dans des maladies de l’œil telle que la rétinite pigmentaire). Les images sont converties en informations électriques transmises à un implant oculaire. En 2010, l’implant comptait 60 électrodes et permettait déjà au cerveau d’interpréter des sensations visuelles : suivre une ligne blanche au sol, deviner des silhouettes… Ce type d’implant comporte aujourd’hui jusqu’à 1500 électrodes ! Des progrès spectaculaires pour améliorer la perception visuelle, même si celle-ci n’est pas seulement liée au nombre d’électrodes.

Notons qu’ici, c’est l’œil qui est réparé. Peut-on espérer un jour « réparer » le cerveau lui-même ? La question se pose à l’heure où, par exemple, les médicaments disponibles dans la maladie d’Alzheimer traitent plus les symptômes qu’ils n’empêchent la progression de la maladie et le déclin des fonctions cognitives.

Si les chercheurs connaissent les grandes fonctions des régions cérébrales, ils savent surtout combien leur fonctionnement est bien plus complexe qu’il n’y paraît car ces régions sont en interconnexion constante. Certaines fonctions impliquent plusieurs régions et certaines régions correspondent à plusieurs fonctions. Par exemple, « notre capacité à entretenir des relations sociales serait liée à la connectivité entre neurones distants, donc entre neurones situées dans des régions du cerveau, différentes et éloignées », comme le rappelle une tribune récente dans Trends in Cognitive Sciences de Jean-Pierre Changeux, neurobiologiste, chercheur émérite à l'Institut Pasteur.

Le cerveau représente 2% du poids corporel (environ 1200 à 1500 grammes) et consomme près de 20% de l’énergie totale de notre organisme. C’est l’un des organes les plus vascularisés du corps humain, irrigation nécessaire à son fonctionnement. A cette intense activité métabolique du cerveau adulte humain s’ajoute « la capacité de produire de nouveaux neurones dans certaines régions cérébrales », rappelle Pierre-Marie Lledo, neurobiologiste, directeur de l’unité Perception et mémoire et du département de Neuroscience de l’Institut Pasteur. On doit cette découverte chez l’homme, en 1998, à une équipe suédoise. Puis c’est l’Institut Pasteur qui a confirmé en 2003 que des cellules souches résidaient au cœur du cerveau adulte et pouvaient donner de véritables neurones. « Quand on parle de la naissance de nouveaux neurones - neurogenèse - dans le cerveau adulte, reprend Pierre-Marie Lledo, on parle du phénomène par lequel des cellules souches, comme celles que l’on retrouve dans l’hippocampe, lieu important pour la formation de nos souvenirs et la gestion de nos émotions, vont se différencier en neurones. »

La perte quotidienne de neurones demeure vraie. Mais la découverte de cellules souches dans le cerveau adulte a conduit à abandonner le dogme selon lequel nos neurones sont en nombre limité, et ne se renouvellent pas… « Le cerveau est dynamique, sa plasticité est la clé de la régénération », poursuit Pierre-Marie Lledo. Les chercheurs de son unité de recherche Perception et Mémoire (Institut Pasteur/CNRS) ont apporté certains éléments de réponse sur les conditions qui favorisent l’intégration des néo-neurones : « Les nouveaux neurones établissent un réseau de connexions beaucoup plus riche avec le reste du cerveau, dans un contexte de motivation et d’apprentissage actif plutôt que dans un contexte passif. » L’état psychique pèserait donc sur le devenir fonctionnel des nouveaux neurones produits dans le cerveau adulte.

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Pierre-Marie Lledo, neurobiologiste, directeur de l’unité Perception et mémoire, à l’Institut Pasteur (Paris).

Le cerveau est dynamique, sa plasticité est la clé de la régénération.

 

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La neurogenèse adulte est sous le contrôle de nombreux facteurs —facteurs de croissance, neurotransmetteurs, hormones — mais aussi par nos conditions de vie : le vieillissement, la grossesse, le stress, les maladies, l’activité physique, la richesse de l’environnement, la diète, l’apprentissage, etc. Ainsi il a été montré que cette capacité à former des nouveaux neurones pouvait diminuer, voire disparaître, en cas de stress chronique. Au contraire, dans un environnement riche et varié, la production de nouveaux neurones est multipliée par trois en quelques semaines.

Deux zones du cerveau, l’hippocampe et la zone sous-ventriculaire, sont la source de nouvelles cellules nerveuses, chez l’adulte.

Chez l’homme, c’est surtout l’hippocampe (le gyrus denté, pour être précis) qui est très actif. Dans cette région du cerveau impliquée dans la formation des souvenirs, les anciens neurones sont remplacés par de tout jeunes. Une équipe de l’Institut Karolinska a même chiffré, en 2013, que nous produisons 700 neurones chaque jour, soit un taux de renouvèlement d’environ 1,75 % par an. « A ce rythme, tous les neurones de notre gyrus denté sont renouvelés à l’âge de 50 ans, souligne Gabriel Lepousez, neurobiologiste, spécialiste de la perception sensorielle et de la plasticité du cerveau à l’Institut Pasteur. Cela semble impressionnant dit comme cela, mais c’est en vérité relativement lent, surtout si nous comptons sur cette capacité régénératives pour soigner des lésions cérébrales… »

Les nouveaux neurones fabriqués dans la zone sous-ventriculaire ont, quant à eux, la particularité de migrer sur plusieurs millimètres vers le bulbe olfactif. Mais, contrairement à ce qui se passe chez les rongeurs, les neurones du bulbe olfactif humain ne se renouvellent pas ou très peu (moins de 1 % en 100 ans). En revanche, c’est une région associée aux systèmes de la récompense et de la motivation (le striatum) que les neurones nouvellement générés choisiront d’intégrer. « Le système olfactif est particulièrement développé chez la souris, explique Françoise Lazarini-Serandour, chercheuse au sein de l’unité Perception et mémoire à l’Institut Pasteur. De nouveaux neurones se forment et intègrent le cerveau dès que la souris rencontre et mémorise une nouvelle odeur. » (voir encadré ci-dessous)

Dès 2008, l’Institut Pasteur a apporté de nouveaux espoirs pour les stratégies thérapeutiques qui visent à réparer le cerveau. L’unité de Pierre-Marie Lledo et celle de Virologie moléculaire et vectorologie, de Pierre Charneau, ont confirmé que les cellules souches gliales, capables de se transformer en neurones, migraient de la zone sous-ventriculaire vers le bulbe olfactif. Les chercheurs ont en outre observé que l’absence de stimulation olfactive, à la suite d’une lésion de l’organe sensoriel, intensifiait la transformation des cellules gliales en neurones. Le cerveau possède donc des propriétés intrinsèques d’autoréparation ! « En détournant des neurones nouvellement formés, depuis leur zone germinative vers les régions lésées, on pourrait espérer contribuer à élaborer de nouvelles stratégies thérapeutiques, pour le traitement des pathologies neurodégénératives comme la Chorée de Huntington ou la maladie de Parkinson », soulignait à l’époque Pierre-Marie Lledo.

Favoriser la formation de néo-neurones et l’acquisition de nouvelles compétences cognitives : la neurogenèse chez l’adulte ne ressemblerait-elle pas à une fontaine de Jouvence ? Un peu. D’ailleurs, « parler de neurogenèse, c’est évoquer le vieillissement et les pathologies qui y sont associées », insiste Françoise Lazarini.

En 2010, l’unité Perception et mémoire mettait au point une technique originale pour stimuler sélectivement les néo-neurones. Basée sur l’activation par la lumière des néo-neurones rendus sensibles aux photons, cette équipe a montré qu’ils s’intégraient bien dans les circuits nerveux préexistants, y établissant des connexions (synapses) fonctionnelles dont le nombre augmente durant plusieurs mois.

« L’optogénétique permet d’étudier la communication entre neurones et donc de comprendre le fonctionnement des neurones et des réseaux neuronaux, explique Gabriel Lepousez, neurobiologiste, spécialiste de la perception sensorielle et de la plasticité du cerveau à l’Institut Pasteur. Avec cette technique, nous pouvons stimuler sélectivement un type cellulaire sans perturber les cellules voisines "silencieuses". Il devient dès lors possible de comprendre le rôle d’un neurone particulier, avec quel autre neurone il communique, à quoi il sert… »

Ces recherches nécessitent le travail pluridisciplinaire de neurobiologistes, biochimistes, mais aussi de mathématiciens et physiciens qui modélisent les nombreuses données issues de ces observations pour en permettre l’analyse. Et cette mise en commun de multiples compétences ouvre un vaste champ de recherche en neuroscience, alors que beaucoup de questions restent encore en suspens : « On a encore du mal à comprendre comment un neurone intègre toutes les informations qu’il reçoit, reprend Gabriel Lepousez, sachant qu’un seul neurone peut former de 1000 à 10 000 connexions avec d’autres neurones. Dans le cas de la neurogenèse adulte on sait que si un nouveau neurone n’a pas son quota de synapses, il disparaît. Peut-être alors qu’une technique comme l’optogénétique permettrait de stimuler les neurones individuellement pour les aider à établir des connexions stables. »

C’est donc une médecine de précision qui se profile pour intervenir sur ce labyrinthe complexe que constitue le cerveau. Bien sûr, toutes les précautions doivent être prises pour soigner un organe si complexe, car ce qui fait l’homme n’est pas tant ses muscles, son sang ou ses gènes mais c’est cet organe de 1400 cm³ que l’on nomme cerveau. « Notre cerveau est le siège de nos pensées, de notre mémoire, de nos rêves, de nos relations sociales, de nos sentiments, de notre âme », conclut Pierre-Marie Lledo.