CERVEAU, CHANCE ET CHAOS

Les neurosciences vivent une période nouvelle et particulièrement fructueuse dans leurs rapports avec la physique et les mathématiques. En neurobiologie, ainsi que dans d'autres corpus du savoir, a dominé jusqu'ici une conception causale héritée de la mécanique de Newton selon laquelle le fonctionnement du cerveau obéirait aux seules lois du déterminisme classique. La notion de « câblage » anatomique et celle d'arc réflexe illustrent bien ce schéma traditionnel du tout ou rien qui a conduit a trop souvent exclure du champ de notre réflexion, la variabilité et le caractère imprévisible, pourtant évidents, de nombre de faits expérimentaux. Nous montrerons à l'aide de quelques exemples que cette situation se modifie rapidement et que les « interfaces » entre les différentes disciplines souvent invoquées en vain dans le passé, deviennent une réalité. Un matériel expérimental privilégié a été celui d'un neurone qui commende la réaction de fuite chez les poissons. Véritable « cerveau dans le cerveau », il permet d'étudier tous les mécanismes de la communication neuronale qui ont été identifiés chez toutes les espèces, y compris les Primates. À son niveau, la transmission de la communication entre les neurones est loin d'être garantie, elle obéit au contraire aux lois du hasard : comme si chaque synapse jouait aux dés le fait qu'elle relaie ou non un message après chaque influx. Ce caractère probabiliste confère à la communication nerveuse et par conséquent aux comportements qu'elle sous-tend, une « liberté » dont la valeur adaptative est fondamentale. Elle intervient de plus dans certains processus de mémorisation et d'apprentissage. L'étude de phénomènes électriques communs également à tous les neurones, à l'aide de la dynamique non linéaire mise au point par les physiciens, a d'autre part suggéré que l'apparence stochastique de ces processus cache en fait un ordre sous-jacent, celui du chaos déterministe. Le terme « déterministe » signifiant que la dynamique en cause obéit bien à des lois mais, que l'évolution des phénomènes concernés est imprévisible du fait de leur sensibilité à toute perturbation. Cette découverte qui remet en cause bien des idées reçues, offre des perspectives inattendues pour qui veut comprendre la nature des états internes du cerveau ou encore dans une perspective thérapeutique de certaines affections neurologiques.

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Paris, 13 juin 2005

Un nouveau pas vers l'utilisation de cellules souches pour le traitement de la maladie de Parkinson
Les travaux d'une équipe de l'Institut Pasteur, associée au CNRS, publiés le 13 juin 2005 dans Nature Neuroscience, ouvrent des perspectives importantes pour le développement de thérapies cellulaires de réparation du cerveau. Ces chercheurs ont en effet réussi à provoquer chez la souris la transformation de cellules souches neuronales du cerveau adulte en neurones capables de sécréter la dopamine, molécule qui fait défaut dans la maladie de Parkinson.
La maladie de Parkinson est due à la dégénérescence des neurones produisant la dopamine dans le cerveau. Cette maladie extrêmement invalidante affecte près de 4 millions de personnes dans le monde et son incidence croît dans les pays industrialisés avec l'amélioration de l'espérance de vie. Récemment, la découverte de l'existence de cellules souches dans le cerveau adulte a soulevé de nouveaux espoirs dans le développement de thérapies cellulaires. L'équipe de Pierre-Marie Lledo à l'Institut Pasteur (Unité "Perception et Mémoire", CNRS URA 2182) avait ainsi démontré que le cerveau adulte fabrique des neurones capables d'y établir de nouvelles connexions (1) et que l'on pouvait guider ces neo-neurones vers des régions précises du cerveau (2). Pour appliquer ces découvertes au traitement de lésions ou de maladies du cerveau, il restait encore à s'assurer que les neo-neurones ainsi recrutés produiront bien la molécule réparatrice nécessaire comme la dopamine pour le traitement de la maladie de Parkinson.
 
Les chercheurs de l'équipe du Dr. Pierre-Marie Lledo, en collaboration avec l'équipe du Dr. Magdalena Götz de l'Université de Munich, en Allemagne, viennent de montrer chez la souris qu'ils pouvaient provoquer la différenciation de cellules souches neuronales en neurones dopaminergiques. Ils ont réussi à orienter la maturation de la totalité des néo-neurones d'une zone très précise du cerveau en neurones sécrétant la dopamine, en y déclenchant l'expression d'une molécule particulière, le facteur de transcription PAX6. Leurs expériences ont été suivies dans le bulbe olfactif qui est un des rares tissus cérébraux où l'on observe chez l'adulte le recrutement de nouveaux neurones.
 
« Nos travaux pourraient contribuer à élaborer de nouvelles stratégies thérapeutiques permettant de choisir le destin cellulaire des neurones nouvellement formés puis de les détourner depuis leur zone germinative vers les régions à réparer.», commente le Dr. P.-M. Lledo.

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Paris, 12 juillet 2007

Prévoir l'activité des protéines, en cartographiant leurs charges électriques dans le vide

Les charges électriques déterminent la forme de nombreuses protéines et régulent leur activité biologique. Les scientifiques essaient de localiser ces charges pour prévoir le comportement des molécules, mais ils sont souvent gênés par les perturbations du milieu dans lequel elles se trouvent. Des chercheurs du laboratoire de spectrométrie moléculaire (CNRS/Université de Lyon) ont mis au point une méthode permettant d'obtenir la distribution des charges électriques sur une molécule isolée, dans le vide. C'est une première, réalisée grâce à une technique combinant spectrométrie de masse et spectroscopie laser, qui a été brevetée[1].

Les charges électriques et leurs transferts régulent la forme et l'activité de nombreuses protéines. Un changement de forme ou d'activité peut entraîner des pathologies graves tels que les cancers ou les maladies à prion. Mais comment extraire la distribution de charge d'une protéine noyée dans un milieu contenant une multitude de molécules et d'ions différents ? Une solution consiste à étudier la molécule isolée dans le vide. Mais alors comment sonder ses charges ?

En associant spectrométrie de masse et spectroscopie laser, les chercheurs du laboratoire de Spectrométrie ionique et moléculaire (CNRS/Université Lyon 1) en collaboration avec le laboratoire Sciences analytiques (CNRS/Université Lyon 1) ont mesuré le spectre d'excitation électronique d'une protéine isolée. Cette première mondiale donne une signature de l'état d'ionisation (c'est-à-dire une cartographie des charges électriques) des tyrosines dans la protéine. La tyrosine, l'un des 20 acides aminés qui constituent les protéines, est un centre actif car elle cède facilement un proton en faisant apparaître une charge négative.

Cette ionisation intervient dans l'action de nombreuses enzymes. En répétant la mesure à intervalles de temps réguliers, il sera désormais possible de suivre au plus près ce genre de réaction, dans un environnement totalement isolé. Ce regard de physicien sur les mécanismes biologiques fondamentaux dans le vide devrait permettre de mieux comprendre et contrôler les réactions biologiques in vivo.

Paris, 14 mai 2012
Apprentissage et mémorisation : le rôle des néo-neurones dévoilé
Des chercheurs de l'Institut Pasteur et du CNRS viennent d'identifier chez la souris le rôle des néo-neurones formés par le cerveau adulte. En parvenant à les stimuler de manière sélective, les chercheurs montrent que ces néo-neurones améliorent les capacités d'apprentissage et de mémorisation de tâches difficiles. Cette nouvelle propriété des néo-neurones dans l'intégration d'informations complexes pourrait ouvrir des perspectives dans le traitement de certaines maladies neuro-dégénératives. Cette publication est en ligne sur le site de la revue Nature Neuroscience.
La découverte de nouveaux neurones formés par le cerveau adulte avait fait grand bruit en 2003. Elle mettait à mal le dogme quasi-séculaire selon lequel le nombre de neurones est défini dès la naissance, toute perte étant irréversible. Une découverte d'autant plus incroyable que la fonction de ces nouveaux neurones restait indéterminée jusqu'à aujourd'hui.

L'équipe de Pierre-Marie Lledo, chef de l'unité Perception et mémoire (Institut Pasteur/CNRS), vient de mettre en évidence, chez la souris, le rôle joué dans l'apprentissage et la mémoire par ces néo-neurones formés par le cerveau adulte. A l'aide d'un dispositif expérimental utilisant l'optogénétique mis au point par la même équipe et qui avait déjà fait l'objet d'une publication en décembre 2010, les chercheurs ont démontré que ces néo-neurones, quand ils sont stimulés par un bref flash lumineux, facilitent l'apprentissage ainsi que la mémorisation de tâches complexes. Ainsi les souris mémorisent plus rapidement les informations proposées pendant la tâche d'apprentissage et se souviennent des exercices 50 jours après l'arrêt des expérimentations. A l'inverse, les néo-neurones générés juste après la naissance de l'individu ne confèrent aucun avantage, ni pour l'apprentissage, ni pour la mémoire. Seuls les neurones produits par le cerveau adulte sont donc importants pour l'apprentissage et la mémoire.

« Cette étude démontre que l'activité de quelques neurones produits chez l'adulte peut avoir un effet important sur les processus cognitifs et le comportement. De plus, ce travail illustre, en partie, comment le cerveau assimile de nouvelles stimulations. Dans notre vie quotidienne, l'activité électrique (mimée par nos flashs lumineux) est exercée par les centres de l'attention de notre cerveau » explique Pierre-Marie Lledo qui a dirigé ce travail.

Au-delà du rôle fonctionnel qu'elle établit, cette découverte réaffirme le lien patent entre « humeur » (définie ici par un schéma particulier de stimulation) et activité cérébrale : il est établi que la curiosité, l'éveil et le plaisir favorisent la formation de néo-neurones et, grâce à eux, l'acquisition de nouvelles compétences cognitives. A l'inverse, un état dépressif se répercute sur la production de nouveaux neurones et déclenche un cercle vicieux qui entretient cet abattement. Ces résultats et les technologies d'optogénétique qui ont permis d'y parvenir pourraient se révéler très utiles pour la mise au point de protocoles thérapeutiques visant à contrer le développement des maladies neurologiques ou psychiatriques.

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