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L'essentiel sur...

Le cerveau

Publié le 8 mars 2017

​Organe complexe, le cerveau et son fonctionnement restent la source de nombreux mystères. Découvrez dans cette fiche "L'essentiel sur..." la composition du cerveau, son organisation, les moyens d’exploration du cerveau ou encore le processus d’apprentissage de la lecture chez l’Homme.

A quoi sert le cerveau ?

Protégé par la boîte crânienne, le cerveau est l’organe qui fait office de chef d’orchestre pour tous les membres et organes du corps humain. Il centralise les informations et renvoie des messages aux différents membres. Il se compose de deux hémisphères reliés : l’hémisphère gauche et l’hémisphère droit, qui contrôlent chacun la partie du corps qui lui est opposée. La main droite sera donc contrôlée par une partie de l’hémisphère gauche.


De quoi est composé le cerveau ?

On distingue deux catégories de tissus dans le cerveau : la matière grise et la matière blanche.

La matière grise est faite des corps cellulaires des neurones, de leurs dendrites et d’autres cellules. Elle est responsable de notre activité sensori-motrice et de nos fonctions cognitives comme la lecture, le calcul, l’attention, la mémoire... 

Les neurones sont des cellules du cerveau qui servent à transmettre les informations. Ils sont tous interconnectés et communiquent entre eux par messages électriques et chimiques au travers de milliers de petites branches appelées dendrites sur lesquelles se terminent les axones, prolongement des neurones pour transmettre l’information à distance

Présentation des différentes parties d'un neurone
Présentation des différentes parties d'un neurone. © L'Esprit Sorcier/CEA

Ce message  est transmis au corps cellulaire pour y être traité. L’information est émise sous la forme d’un message électrique le long de l’axone, une partie de la cellule qui fait office de route pour l’information. L’axone se ramifie ensuite pour distribuer le message aux autres neurones. Puisque les neurones ne se touchent pas, le message électrique est transformé en message chimique pour être capté par les dendrites de l’autre neurone.

La matière blanche est, quant à elle, constituée de ces axones, enveloppés d’un manchon graisseux de myéline, reliant les différentes régions de matière grise afin qu’elles échangent leur information.

VidéoLa composition du cerveau



Quelle est l’anatomie du cerveau ?

Chacun des hémisphères du cerveau est divisé en cinq régions (quatre extérieures et une enfouie : le cortex insulaire ou Insula). Ces lobes sont composés de zones plus petites qui gèrent des fonctions précises. Elles sont appelées aires cérébrales. On en dénombre aujourd’hui près de  200 par hémisphère. 
  
Dans ces zones les neurones sont spécialisés dans une fonction précise comme transmettre un message visuel, sonore, sensitif… Les zones des différents lobes coopèrent pour réaliser les tâches complexes. Par exemple, le langage fait intervenir plusieurs zones de différents lobes pour nous permettre de parler ou lire.

  • Le lobe frontal est le siège de la parole, du langage et du raisonnement. Il a également la fonction de gérer les mouvements des membres. 
  • Le lobe pariétal est la partie qui va s’occuper du repérage dans l’espace, des sens et de la lecture
  • Le lobe occipital est dédié à la vision
  • Le lobe temporal est la zone où se situent le langage, la mémoire et l’émotivité.
  • Le cortex insulaire ou Insula est spécialisé dans la perception de soi/sa conscience, dans la socialisation et impacte également les émotions. 

Présentation des différents lobes du cerveau.Présentation des différents lobes du cerveau. © L'Esprit Sorcier/CEA

Les régions associées à certaines fonctions sont localisées à des endroits variant légèrement d’un individu à l’autre. Par ailleurs, la spécialisation hémisphérique de certaines fonctions comme le langage varie : elle est majoritairement située dans l’hémisphère gauche chez les droitiers mais peut se situer dans l’hémisphère droit, comme chez la plupart des gauchers. 

Ces différentes régions du cerveau sont connectées pour combiner les messages. C’est cette coopération des zones qui permet, par exemple, la reconnaissance de visages ou de lieux. 

Comment le cerveau permet-il d’apprendre à lire ?

Les zones du cerveau s’adaptent et interagissent ensemble en fonction des besoins et des tâches réalisées. Lorsque l’on apprend à lire, une zone du cerveau, située entre les lobes occipital et pariétal, va se spécialiser dans la reconnaissance et la mémorisation des lettres et des mots.

Dans l’apprentissage de la lecture, l’aire auditive du lobe temporal est également nécessaire pour faire correspondre ce qui est écrit à un son déjà appris. Dans la lecture, les neurones de l’aire visuelle vont se connecter à ceux de l’aire auditive. Cette connexion permet de déchiffrer le mot et de l’entendre dans sa tête. 

A ce stade, le mot est entendu mais pas encore compris. Il faut donner du sens à ce message sonore. Pour cela l’aire auditive est connectée à l’aire de Wernicke, la partie du cerveau qui comme un dictionnaire, donne le sens des mots entendus. 

Si l’assemblage de phonèmes (briques sonores qui constituent les mots) ne correspond pas à un mot connu, le cerveau va mémoriser à la fois le sens, le son du mot et son écriture. 

VidéoComment notre cerveau apprend-il à lire ?



Comment explore-t-on le cerveau ?

Arriver à observer le cerveau ne va pas de soi car il est abrité par la boîte crânienne. L’observer est essentiel pour comprendre son fonctionnement, l’apparition et le développement des maladies. La méthode d’imagerie la plus ancienne, la radiographie (rayons X) est peu informative pour étudier le cerveau car les rayons X sont en grande partie absorbés par l’os de la boîte crânienne. Le scanner à rayons  X, grâce à des capteurs très sensibles et un couplage informatique, permet de voir le cerveau et est utilisé en routine en médecine.

VidéoLes techniques d’exploration du cerveau au fil du temps


Outre le scanner X  le cerveau est exploré à l’aide de 3 autres grandes familles d’imagerie, qui font appel à des principes physiques différents : l’activité électrique et magnétique du cerveau, la radioactivité ou la résonance magnétique de certains noyaux atomiques. 

L’électroencéphalographie (EEG)

L'électroencéphalographie mesure des signaux électriques produits par l’activité des neurones. Elle est très utilisée pour localiser les foyers épileptogènes (endroit où se situe la source d’une crise d’épilepsie)  ou pour rechercher une signature spécifique de l’état de conscience des patients en situation de coma. 

Cet outil est parfois associé à la magnéto encéphalographie (MEG) qui est un outil de mesure de l’activité magnétique  du cerveau  associée aux courants produits par les neurones. L'atout de l’EEG et de la MEG est leur résolution temporelle, de l’ordre de la milliseconde. La MEG qui n’est pas perturbée par l’os et le scalp (cuir chevelu) génère des signaux plus propres.

L’imagerie nucléaire : la tomographie par émission de positons (TEP) ou de photons

La tomographie par émission de positons (TEP) ou tomographie par émission de photons sont des méthodes qui s’appuient sur des principes de la physique nucléaire pour étudier ce qu’il se passe dans le corps humain. Ces techniques offrent une analyse quantitative des réactions biochimiques du corps, comme par exemple la neurotransmission (transmission des informations entre les neurones) Pour cela, les médecins injectent au patient des molécules (appelées « traceurs ») combinées avec des éléments faiblement radioactifs qui ciblent les régions du corps où ont lieu les processus biochimiques à analyser. Pour ces examens, les atomes radioactifs utilisés ont une demi-vie relativement courte (6 h pour le technétium 99m, l’isotope le plus utilisé, 13 h pour l’iode 123) et leur radioactivité a disparu au bout de quelques jours (10 demi-vies).

Métabolisme cérébral du glucose chez un sujet sain par tomographie par émission de positons (TEP). © CEA/SHFJ


L’imagerie par résonance magnétique (IRM) 

L’IRM repose sur les propriétés magnétiques des atomes d’hydrogène des molécules d’eau qui composent à plus de 80 % le corps humain. L’atome d’hydrogène possède un "moment magnétique", ou spin, qui agit comme un aimant. 

L’appareil IRM consiste à créer un champ magnétique puissant grâce à une bobine. Le patient est placé au centre de ce champ magnétique, et toutes les molécules d’eau présentes dans le corps vont s’orienter selon la direction du champ magnétique. Une antenne placée sur la partie du corps étudiée va permettre d’émettre et de réceptionner une onde radiofréquence spécifique des atomes d’hydrogène. 

A l’émission, la fréquence induite va faire basculer l’aimantation des noyaux des molécules dans un plan perpendiculaire aux champs magnétiques de l’IRM. Lorsque l’antenne arrête d’émettre, l’aimantation revient à la position d’origine en émettant à leur tour une fréquence captée par l’antenne. Celle-ci est ensuite traitée comme un signal électrique et analysée par des logiciels. Le signal diffère selon que les tissus observés contiennent plus ou moins d’eau.


Quels sont les enjeux de la recherche sur le cerveau ?

Les deux principaux enjeux de la recherche sur le cerveau sont : l’acquisition de nouvelles connaissances fondamentales sur le fonctionnement de l’organe (au niveau microscopique et macroscopique) et la compréhension des maladies ou troubles qui l’affectent.

Pour cela il faut rechercher de nouveaux signaux de l’activité neuronale, mettre au point de meilleurs outils d’imagerie médicale et concevoir de nouveaux traceurs. 

Repousser les limites de l’imagerie médicale, l’objectif du projet ISEULT : 

Le projet ISEULT est un projet international qui répond aux enjeux de recherche fondamentale sur la compréhension du cerveau humain. L’un de ses objectifs est de construire l’aimant le plus puissant au monde avec un champ magnétique de 11,7 teslas (actuellement les IRM de recherche clinique les plus avancés possèdent un champ magnétique compris entre 9 et 10,5 teslas). Il pourra observer le cerveau avec une précision spatiale et temporelle jamais atteinte qui permettra, peut-être, de découvrir le code neural, c’est-à-dire le fonctionnement et l’organisation de groupe de cellules cérébrales, l’agencement spatial de neurones et la connectivité cérébrale. 

NOTIONS CLÉS

  • La matière blanche du cerveau est constitué d'axones qui 
    relient les différentes régions de matière grise afin qu’elles échangent leurs informations.

  •  La matière grise est faite des corps cellulaires des neurones, de leurs dendrites et d’autres cellules. Elle est responsable de notre activité sensori-motrice et de nos fonctions cognitives comme la lecture, le calcul, l’attention, la mémoire ... 


  •  Les neurones sont des cellules du cerveau qui servent à transmettre les informations. Ils sont tous interconnectés et communiquent entre eux par messages électriques et chimiques au travers de branches appelées dendrites sur lesquelles se terminent les axones pour transmettre l’information à distance. La partie qui traite les informations du neurone s'appelle le corps cellulaire.




    Représentation de 38 faisceaux longs de la substance blanche cérébrale (chaque couleur code 1 faisceau). © CEA/Neurospin



















    VidéoLe cerveau à nu





















    Coupe axiale d'un cerveau réalisée par un IRM de 7Teslas. Elle permet de visualiser l’anatomie des structures du cerveau (substance blanche, cortex, ventricules). © PF.Grosjean/CEA


























    Superposition d'images anatomiques (IRM en gris) et fonctionnelles (TEP en couleurs). © P. Stroppa/CEA




    LE SCANNER X

    Entre 1970 et 1973, la révolution de l’imagerie est en marche ! Godfrey Newbold Hounsfield et Allan McLeod Cormack remplacent le film photographique utilisé en radiographie par des capteurs électroniques très sensibles aux rayons X. Ils associent leur dispositif avec un ordinateur pour reconstruire le contenu du corps coupe par coupe. C’est le scanner à rayons X. Son invention leur vaudra le prix Nobel de médecine en 1979. Le scanner X est aujourd’hui une forme d’imagerie médicale de référence utilisée dans le monde entier.


      LA MEG

      Après la mesure de l’électricité, place à celle du champ magnétique. A la fin des années 1960, le physicien nord-américain David Cohen cherche à enregistrer les très faibles champs magnétiques induits par l'activité électrique des neurones. Après une première tentative infructueuse, il y parvient en 1972. David Cohen utilise alors des capteurs très sensibles inventés deux ans plus tôt par James Zimmerman, les SQUIDs. Plus tard, à partir des années 1980, les premiers appareils de magnétoencéphalographie (MEG) performants voient le jour. Grâce à la MEG, les chercheurs enregistrent de meilleurs signaux de l’activité des neurones, même dans les zones profondes du cerveau. Cependant, la MEG reste peu utilisée.




        Volontaire installé dans le système MEG et portant un bonnet d'éléctroencéphalographie. L'EEG et le MEG permettent de suivre de
        Volontaire installé dans le système MEG et portant un bonnet d'éléctroencéphalographie. L'EEG et le MEG permettent de suivre de miliseconde en miliseconde les transferts d'information à travers le cerveau. © INSERM-CEA



        Surveillance du bon déroulement d'un examen TEP. © P-F. Grosjean/CEA





        Installation d'un volontaire dans un IRM de 3 Teslas pour faire l'acquisition d'images

        Installation d'un volontaire dans un IRM de 3 Teslas pour faire l'acquisition d'images. © P.Stroppa/CEA






        VidéoQuelles sont les attentes de l'IRM ISEULT ?


        VidéoProjet Iseult – IRM à 11,7 T pour l’exploration du cerveau humain



        Maquette de l’aimant 11,7 T. du projet ISEULT 
        © A. Gonin/CEA