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Neurosciences

 

Les neurosciences correspondent à l'ensemble des disciplines scientifiques qui étudient le fonctionnement et la structure des neurones et du système nerveux.
A la fin des années 1960, le terme de neurosciences désigne plus spécialement une branche de la biologie axée sur la physiologie et la biochimie des cellules nerveuses. Depuis ce terme s’est enrichi de l’apport d’autres disciplines, comme les mathématiques, l’informatique, l’intelligence artificielle, la neurologie, la psychiatrie, la neuropsychologie, la linguistique qui fait qu’actuellement on parle des neurosciences pour décrire l'ensemble des disciplines scientifiques qui s’intéressent au système nerveux central pour en comprendre son fonctionnement et sa structure tant à un niveau moléculaire qu’à un niveau psychologique.
Les neurosciences cognitives étudient les mécanismes neurobiologiques, neurophysiologiques et neuro-anatomiques qui sous-tendent les fonctions telles la perception, le langage, la mémoire, le raisonnement, les émotions...). Ces études s’appuient sur les techniques électrophysiologiques qui permettent d'enregistrer l'activité électrique des neurones et sur les techniques d’imagerie cérébrales qui permettent de voir comment le cerveau travaille : voir quels sont les neurones ou les réseaux nerveux activés lors d’une stimulation émanant de l’environnement : perception de la couleur, des formes, des objets exemple, lors aussi d’ « actes » de pensée ou encore de réflexion.
Dans les années 1960, David Hubel et Torsten Wiesel ont montré que les neurones du système visuel étaient organisés de telle sorte que l'information visuelle était analysée de façon de plus en plus complexe à chaque « étape » de traitement dans le cortex visuel. Certains neurones du cortex strié du chat et du singe répondaient uniquement à une image de barre orientée suivant un angle spécifique tandis que d'autres neurones baptisés « complexes » par opposition aux premiers dits « simples », ne déchargeaient des potentiels d'action que lorsque cette même image était en plus animée d'un mouvement dans une direction mais pas dans l'autre. Ces données ont fourni les premières bases neurobiologiques sur la façon dont le cerveau traitait les images issues de la rétine et ont valu à Hubel et Wiesel le prix Nobel en 1981.
La découverte plus récente des neurones miroirs marque également une étape importante dans la compréhension du fonctionnement cérébral. Ce sont les mêmes neurones qui déchargent quand la personne réalise une action, quand cette même personne voit se réaliser la même action par autrui.

Les méthodes d’exploration du fonctionnement cérébral sont principalement axées sur :

- La résolution spatiale pour de mieux en mieux visualiser ou photographier les zones ou les réseaux neuronaux activées lors d’une activité mentale particulière, c’est l’IRMf,
- La résolution temporelle pour décrire la chronologie et la propagation dans l’espace cérébral des influx nerveux liés à l’activité, c’est électroencéphalographie.

 

Méthodes d’enregistrement de l’activité cérébrale

L'électro-encéphalographie
L'électro-encéphalographie consiste en l'enregistrement de l'activité électrique du cerveau par des capteurs posés sur la tête. Lorsque l'on présente un stimulus, comme une lumière, une image ou un son, la région cérébrale qui traite ce stimulus va modifier son activité neuronale et donc l'activité électrique recueillie à la surface de la tête. Comme le cerveau ne reste jamais inactif, cette modification est perdue dans l'activité cérébrale de fond. Mais si on répète de nombreuses fois la même tâche, on peut, par calcul de la moyenne, extraire la séquence des événements électriques spécifiques à cette tâche.


Potentiel évoqué par une syllabe chez un adulte. L'activité électrique est enregistrée à partir de capteurs posés sur la tête pendant que l'on fait écouter des syllabes au volontaire. La réponse électrique (ou potentiel) liée à la perception de la syllabe est perdue dans l'activité globale (A) mais apparaît lorsque l'on moyenne les réponses entre elles (B). A gauche, est présentée la réponse à la syllabe enregistrée à partir d'une électrode posée sur le haut de la tête permettant de suivre le décours temporel de la réponse. A droite, les réponses de toutes les électrodes à un temps donné sont présentées suivant un code couleur. Ceci permet de visualiser le topographie des réponses évoquées.


Par exemple, une syllabe est toujours perçue de la même façon et sa présentation est toujours suivie des mêmes modifications électriques. Ces modifications sont différentes de l'activité électrique de « fond » du cerveau et ces modifications définissent un potentiel évoqué caractérisés par un pattern d’ondes électriques de polarité positive (P) et négative (N) spécifiques aux stimuli perçus. On connaît les ondes P300, N100 qui apparaissent dans la détection de la nouveauté.
Cette technique a une grande précision temporelle et permet de suivre la progression du traitement d'un stimulus de ms en ms. Par exemple, l’écoute d’une syllabe peut provoquer après 100 msec l’apparition d’une onde à polarité positive dans les régions cérébrales temporales. On parle de P100. Cette technique a toutefois une limite pour localiser les régions cérébrales actives. Du fait de la diffusion du champ électrique, il est en effet difficile de localiser la principale région cérébrale qui est activée.


L'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique (IRMf)
Les méthodes d'imagerie cérébrale se sont considérablement perfectionnées ces cinquante dernières années. La méthode actuelle la plus employée est l'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique (IRMf). Cette méthode non invasive repose sur les propriétés magnétiques de l'hémoglobine, molécule qui est présente dans les globules rouges.
L'activité neuronale consomme de l'oxygène, provoquant une augmentation du taux de déoxyhémoglobine, donc un signal magnétique dans la région cérébrale activée par le type d’activité. Les images en IRMf sont des cartes dites de probabilité où sont colorées, suivant une échelle de couleur, les régions les plus actives avec la stimulation. Ces cartes sont superposées à l'IRM anatomique du sujet améliorant la visualisation de ou des régions cérébrales actives.
L’iRMf a ses limites. Comme la réponse vasculaire est lente (quelques secondes alors que l'activité neuronale s'établit en quelques millisecondes), le pic du signal magnétique peut être obtenu qu’après plusieurs secondes, ce qui signifie que l’IRMf manque de résolution temporelle : on ne peut pas voir à quelle vitesse les zones cérébrales travaillent. Pour y palier, on alterne généralement des périodes de stimulation et des périodes de repos, par exemple des alternances de 20s de parole suivies de 20s de silence.

Ces méthodes de neuroradiologiques comme l’iRMf et les techniques électrophysiologiques qui sont non invasives permettent d’étudier les relations entre le cerveau et les fonctions perceptives et cognitives chez les personnes ordinaires, âgées et jeunes, permettant de mieux comprendre comment le cerveau fonctionne quand il apprend, mémorise, grandit et vieillit. Ces études réalisées le plus souvent chez des personnes ordinaires sont complétées par celles qui sont réalisées auprès de personnes qui présente une maladie neurologique, une lésion cérébrale. La description minutieuse des troubles occasionnés par une lésion dans le cerveau dépend de sa localisation cérébrale. L’étude des effets d’une lésion sur les habiletés humaines est connue sous le terme de neuropsychologie


Dans une étude en IRMf, on alterne des périodes de stimulation et de repos, et on mesure le changement de signal magnétique dans tous les éléments de volume du cerveau (ou voxels). Le changement de signal dans une région activée par le stimulus suit le schéma de stimulation, c'est-à-dire la réponse augmente lorsque le stimulus est présenté et retourne à son niveau de base quand le stimulus est arrêté (A). La courbe théorique est en rouge et la courbe de données observée chez un nourrisson de 3 mois est en bleu. Les stimuli étaient dans une étude de la parole. Chez ce nourrisson de 3 mois endormi (à droite), on mesure un changement de signal magnétique corrélé avec le rythme de stimulation dans les régions temporales droites et gauches. Les régions dont l'activité est corrélée significativement avec la présentation du stimulus sont présentées en couleur superposées sur l'image anatomique. Les régions temporales sont des régions de traitement auditif. Elles fonctionnent même chez le dormeur adulte ou bébé. Ceci explique que vous intégrez dans vos rêves des éléments sonores du monde externe ou qu'un son habituel ne vous réveille pas alors qu'un son même plus discret mais inhabituel pourra vous réveiller.

 

L'apport de la méthode anatomo-clinique
La neuropsychologie concerne l’étude des relations entre le cerveau et les fonctions mentales qui repose (mais non exclusivement) sur l’observation de patients cérébrolésés (tumeur, ou accidents vasculaires cérébraux). La méthode dite anatomo-clinique est ancienne et contribue encore actuellement à une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau. A la fin du XIXe siècle, en 1863, Paul Broca qui est neuro-chirurgien, à l’hôpital de la Salpétrière (Paris) rapporte plusieurs cas de perte de la parole (aphémie) qui est associée à une lésion dans l’hémisphère cérébral gauche qui siège au pied de la troisième circonvolution frontale de l’hémisphère cérébral gauche. En 1874, Karl Wernicke décrit un cas d’aphasie caractérisé par un trouble de la compréhension du langage oral sans trouble de la parole articulée (sans aphémie) . La lésion est toujours hémisphérique gauche, mais implique le lobe temporal. En 1892, Déjerine (1892) décrit l’alexie sans agraphie qu’il nomme « cécité verbale pure » associée à une lésion plus postérieure encore de ce même hémisphère. L’hémisphère gauche contient les « centres » des images auditives des mots, des images motrices des mots, des images visuelles des mots.
La méthode anatomo-clinique est encore de rigueur actuellement dans les services de neurologie et de neuro-chirurgie. Elle a permis d’identifier un nombre important de troubles que l’on peut associer à des régions précises du cerveau. Elle en découvrira d’autres, le cerveau n’ayant pas encore révélé toutes ses facettes tant structurelles que fonctionnelles.

Les lésions préfrontales (antérieures) sont associées à :
- La perte des aptitudes abstraites, impossibilité de mise à distance par rapport au réel..., difficultés à passer volontairement d'une activité à une autre, difficulté à dégager d'un ensemble disparate d'éléments des propriétés communes ou une vue d'ensemble..., réactions dépendantes des impressions sensorielles et attachement à certains aspects particuliers des stimuli.
- Un trouble du raisonnement logique, séquentiel, une forte distractibilité, et impulsivité, un défaut de planification et d'anticipation, une perte du programme des actions dirigées vers un but.
- Un manque de flexibilité mentale avec des persévérations.
- Une « sociopathie acquise », avec perte du jugement moral, perte des initiatives et de la faculté de décider et choisir, une jovialité puérile, un apragmatisme, une indifférence affective, des activités compulsives, des difficultés à identifier les émotions et à les exprimer (alexithymie), une perte de la vie imaginaire, un collectionnisme, une intolérance à la frustration, des changements brusques d'humeur, des stéréotypies (léchage d'objets non comestibles).
- Une Aphasie de Broca (apraxie de la parole).

Les lésions limbiques (amygdalo-hippocampiques) sont associées à :
Une désinhibition du comportement et une dysrégulation affective (agressivité versus docilité), des épisodes de peur-panique, des difficultés à identifier les émotions, une dysrégulation du rythme sommeil-veille, une amnésie antérograde sévère…
Les lésions corticales (postérieures) sont associées à des :
- Troubles de l'identification des visages (prosopagnosie) ou des objets (agnosie), de l’identification des sons (agnosie auditive), et de la compréhension du langage oral pouvant aller jusqu’à la surdité verbale, avec un manque du mot, des néologismes, une jargonaphasie, une écholalie (aphasie sensorielle).
- Troubles visuo-constructifs, et du schéma corporel.
- Trouble de l'utilisation des objets (apraxie idéatoire).
- Une acalculie, agraphie (spatiale), alexie.
- Troubles de l’attention visuo-spatiale avec une héminégligence.

Zones cérébrales impliquées dans le langage oral et écrit

 

 

 

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