La partie du cerveau qui contrôle les mouvements guide également les sentiments | Magazine Quanta

Au cours des dernières décennies, les neurosciences ont connu des progrès stupéfiants, mais une partie essentielle du cerveau reste un mystère. Je fais référence au cervelet, ainsi nommé d'après le latin « petit cerveau », qui est situé comme un chignon à l'arrière du cerveau. Ce n’est pas une mince affaire : le cervelet contient les trois quarts de tous les neurones du cerveau, qui sont organisés selon un arrangement presque cristallin, contrairement à l’enchevêtrement de neurones que l’on trouve ailleurs.

Articles d'encyclopédie et les manuels soulignent le fait que la fonction du cervelet est de contrôler les mouvements du corps. Il ne fait aucun doute que le cervelet remplit cette fonction. Mais les scientifiques soupçonnent désormais que cette vision de longue date est myope.

C'est du moins ce que j'ai appris en novembre à Washington, DC, alors que j'assistais au Réunion annuelle de la Society for Neuroscience, le plus grand rassemblement de neuroscientifiques au monde. Là, deux neuroscientifiques ont organisé une symposium sur des fonctions nouvellement découvertes du cervelet sans rapport avec le contrôle moteur. De nouvelles techniques expérimentales montrent qu’en plus de contrôler les mouvements, le cervelet régule les comportements complexes, les interactions sociales, l’agressivité, la mémoire de travail, l’apprentissage, les émotions, etc.

Une fissure dans la sagesse dominante

Le lien entre le cervelet et le mouvement est connu depuis le XIXe siècle. Les patients souffrant d'un traumatisme dans la région cérébrale avaient des difficultés évidentes d'équilibre et de mouvement, ne laissant aucun doute sur le fait que cela était essentiel à la coordination des mouvements. Au fil des décennies, les neuroscientifiques ont développé une compréhension détaillée de la manière dont les circuits neuronaux uniques du cervelet contrôlent la fonction motrice. L’explication du fonctionnement du cervelet semblait inébranlable.

Puis, en 1998, dans la revue Cerveau, les neurologues ont rapporté handicaps émotionnels et cognitifs étendus chez les patients présentant des lésions du cervelet. Par exemple, en 1991, une étudiante de 22 ans est tombée en patinant sur glace ; un scanner a révélé une tumeur dans son cervelet. Après son retrait chirurgical, elle était devenue une personne complètement différente. Cette étudiante brillante avait perdu sa capacité à écrire avec compétence, à faire du calcul mental, à nommer des objets courants ou à copier un diagramme simple. Son humeur s'est aplatie. Elle s'est cachée sous des couvertures et s'est comportée de manière inappropriée, se déshabillant dans les couloirs et parlant comme un bébé. Ses interactions sociales, notamment la reconnaissance de visages familiers, étaient également altérées.

Ce cas et des cas similaires ont intrigué les auteurs. Ces fonctions cognitives et émotionnelles de haut niveau résident dans le cortex cérébral et le système limbique. "Le rôle précis du cervelet et la manière dont le cervelet l'accomplit restent à établir", ont-ils conclu.

Malgré ces indices issus d'études cliniques selon lesquels les idées reçues étaient sur la mauvaise voie, les principales autorités insistaient toujours sur le fait que la fonction du cervelet était de contrôler les mouvements et rien de plus. "C'est un peu triste parce que cela fait 20 ans [que ces cas ont été signalés]", a déclaré Diasynou Fioravante, neurophysiologiste à l'Université de Californie à Davis, qui a co-organisé le symposium de la conférence.

D'autres neurologues ont déjà remarqué des déficits neuropsychiatriques chez leurs patients, a déclaré le neuroscientifique. Stéphanie Rodolphe du Albert Einstein College of Medicine, qui a co-organisé le symposium avec Fioravante. Cependant, il n'existait aucune preuve anatomique solide de la manière dont les circuits neuronaux uniques du cervelet pourraient éventuellement réguler les fonctions psychologiques et émotionnelles rapportées, de sorte que les rapports cliniques ont été négligés.

Aujourd’hui, une meilleure compréhension des circuits du cervelet prouve que ces études de cas ont raison et que la sagesse dominante est fausse.

Câblage de précision

La schéma de câblage dans le cervelet est précisément organisé et compacté pour concentrer les trois quarts des neurones du cerveau dans un lobe de 4 pouces. Le principal type de neurone du cervelet, appelé cellule de Purkinje, est largement ramifié comme un corail en éventail, mais aplati et presque bidimensionnel. Les pales du ventilateur sont les dendrites du neurone, qui reçoivent les signaux entrants. Ces neurones plats sont disposés en parallèle, comme si des millions de coraux éventails étaient empilés les uns sur les autres en un faisceau serré. Des milliers de minuscules neurones font passer les axones – les câbles de transmission du cerveau pour les impulsions électriques – perpendiculairement à travers la pile de dendrites, comme les fils d'un métier à tisser. Chaque axone se connecte aux dendrites de dizaines de milliers de cellules de Purkinje.

Ce niveau d’interconnectivité confère aux 50 milliards de neurones du cervelet une étonnante capacité d’intégration. Ce circuit, unique au cervelet, peut traiter d’énormes quantités de données provenant des sens pour réguler les mouvements du corps. Le mouvement fluide d'une ballerine sautant sur la scène nécessite que le cervelet traite rapidement les informations provenant de tous les sens tout en suivant les changements de position des membres, en maintenant l'équilibre et en cartographiant l'espace dans lequel le corps se déplace. Le cervelet utilise ces informations dynamiques pour contrôler les muscles avec un timing précis, et ce, dans le bon contexte social, motivé par l’émotion et la motivation.

Fioravante et Rudolph m'ont dit que les neuroscientifiques réalisent maintenant que les puissants circuits neuronaux du cervelet qui intègrent les informations nécessaires aux mouvements du corps lui permettent également de gérer des processus et des comportements mentaux complexes.

« Par exemple, en ce moment, a expliqué Rudolph alors que nous parlions avant le début du symposium, vous posez des questions et nous donnons des réponses. C’est un comportement complexe. Elle devait comprendre mon discours, formuler une réponse, puis utiliser ses muscles pour produire des mots. Elle a également dû prendre en compte mon langage corporel et d’autres signaux subtils. « Par exemple, vous hochez la tête en ce moment, donc je peux en conclure que vous écoutez et êtes intéressé », a-t-elle déclaré.

Je n’avais pas encore pleinement apprécié la complexité du contrôle moteur requis pour la parole. La physicalité comprend non seulement la gymnastique complexe de la langue et des lèvres – pour produire le son ainsi que pour ajuster la hauteur et le volume – mais aussi la gesticulation. Nos paroles sont chronométrées pour ne pas parler à l'autre personne, et elles sont régulées en fonction du contexte social : imprégnées de l'émotion appropriée et motivées par la motivation, la pensée, l'anticipation et l'humeur.

La coordination de ces diverses fonctions nécessite d’exploiter presque tout ce que fait le cerveau – de la régulation de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle, effectuée dans les régions profondes du cerveau, au traitement des informations sensorielles et émotionnelles, effectué par le système limbique. Cela nécessite également de s’impliquer dans les fonctions cognitives de plus haut niveau de compréhension, d’inhibition et de prise de décision dans le cortex cérébral préfrontal.

Pour que le cervelet puisse faire cela, il devrait avoir des connexions qui couvrent tout le cerveau. Jusqu’à présent, les preuves manquaient, mais de nouvelles techniques découvrent ces voies.

Un centre d'entrée sensorielle

Il y a à peine quelques décennies, lorsque les neuroanatomistes ont cartographié le cerveau, ils n'ont trouvé aucune connexion directe entre le cervelet et les régions du cerveau qui contrôlent les émotions et la cognition, comme le système limbique et le cortex préfrontal. Cela les a amenés à croire que le cervelet était quelque peu isolé et peu impliqué dans ces fonctions cognitives supérieures. Mais tout comme les bandits peuvent échapper à un traqueur en changeant de véhicule, les signaux neuronaux peuvent passer d'un neurone à l'autre. Cette action secrète a éloigné les neuroanatomistes de la piste du cervelet.

De nouvelles méthodes ont permis aux neuroanatomistes de retracer ces voies depuis le cervelet jusqu'aux points relais, puis de les suivre dans tout le cerveau. Les chercheurs peuvent, par exemple, planter des virus de la rage dans les neurones pour voir précisément avec quels autres neurones ils entrent en contact. Ils ont génétiquement modifié des protéines fluorescentes qui clignotent lorsqu'une impulsion neuronale se déclenche afin de pouvoir voir le flux de trafic dans les circuits neuronaux. Ils peuvent également suivre les empreintes laissées par le trafic neuronal : l'apparition de protéines produites lorsqu'un neurone se déclenche peut aider à identifier toutes les cellules communiquant dans un réseau neuronal lorsqu'un comportement spécifique est exécuté.

Lors du symposium, les chercheurs ont partagé une série de nouvelles découvertes fascinantes révélées par ces nouvelles méthodes et démontrant leur compréhension évolutive du cervelet.

Jessica Verpeut de l'Arizona State University ont rapporté des données décrivant le réseau complexe et étendu de connexions cérébelleuses qui sont activées dans tout le cerveau des souris lorsqu'elles socialisent ou apprennent à négocier un labyrinthe.

Rudolph a partagé des expériences montrant que le comportement maternel, étudié chez des souris femelles s'occupant de leurs petits, était affecté par les hormones agissant sur le cervelet, en particulier l'hormone ocytocine, qui favorise le lien maternel. Lorsque ce mécanisme a été perturbé expérimentalement, la mère ne s’est plus occupée de ses petits.

Yi Mei Yang de l'Université du Minnesota a montré que lorsqu'elle perturbait certains neurones cérébelleux, les souris perdaient tout intérêt à interagir avec des souris inconnues introduites dans leur cage. Cependant, ils n’ont eu aucune difficulté à interagir avec de nouveaux objets inanimés et à se souvenir de ceux-ci. Cela indique un déficit de mémoire complexe de reconnaissance sociale, similaire à ce que vivent les personnes autistes.

En fait, le cervelet est souvent plus petit chez les personnes autistes, et Alexandre Badura du centre médical universitaire Erasmus de Rotterdam a présenté de nouvelles données suggérant que le cervelet est impliqué dans l'autisme car il constitue une plaque tournante des entrées sensorielles, en particulier pour les signaux liés aux contextes sociaux.

Cette nouvelle recherche va au-delà des études sur la souris. Andreas Thième de l'hôpital universitaire d'Essen en Allemagne a présenté un nouveau test clinique utilisé pour diagnostiquer avec précision les déficiences émotionnelles et cognitives causées par des lésions cérébelleuses.

Ces nouvelles études révolutionnaires montrent qu’en plus de contrôler les mouvements, le cervelet régule des comportements sociaux et émotionnels complexes. Pour obtenir cette influence globale, le cervelet doit être une plaque tournante de traitement des données avec des connexions dans tout le cerveau. Pas étonnant qu’il possède autant de neurones. Pour accomplir à lui seul ce commandement et ce contrôle de haut niveau, il doit s’agir en fait d’un petit cerveau.