Le duo dynamique du système nerveux

Chaque matin, je me réveille, me verse une tasse de café et je lis. Ce pourrait être un article de magazine, un document de recherche intéressant, un livre – peu importe ce que c’est. Je trouve juste que les mots et le tempo de mes yeux se déplaçant d’avant en arrière sur la page me mettent dans un bon espace de tête pour la journée.

Moins quelques années à la fin du lycée (une période où vous essayez désespérément de vous intégrer et que la lecture ne semble pas être quelque chose que les enfants cool font), j’ai toujours beaucoup lu. Les Hardy Boys et Les Screech Owls Quand j’étais jeune; livres sur l’espace, les tortues ou les araignées à l’école primaire; classiques comme Gatsby le magnifique et Frères Karamazov dans ma vingtaine; et la philosophie, la psychologie et les statistiques dans la trentaine. Je viens de lire et je l’ai toujours fait. Jusqu’à ce que je commence à penser à toutes les petites tâches cognitives qu’implique la lecture, je n’y ai jamais vraiment pensé en tant que compétence cognitive.

Mais, lorsque vous le décomposez en ses éléments de base et essayez de comprendre comment toutes les pièces s’emboîtent, vous voyez à quel point c’est incroyable d’un exploit mental. Les longueurs d’onde de lumière rebondissant sur une page (ou émanant d’un écran) trouvent leur chemin vers les photorécepteurs à l’arrière de l’œil, se traduisent en signaux électriques qui s’enroulent le long du nerf optique dans le cortex visuel, et une symphonie de neurones l’activité coud toutes les pièces ensemble. Les émotions sont suscitées, les souvenirs sont mis au premier plan de notre conscience et de nouveaux souvenirs se forment à mesure que nous interprétons et comprenons de nouvelles choses.

La lecture nécessite une reconnaissance visuelle, des émotions, une planification et un raisonnement. Vous devez résoudre des problèmes, utiliser votre mémoire de travail, vous souvenir de ce que vous savez déjà de la mémoire à long terme et attirer votre attention pour rester concentré. Ces tâches cognitives nécessitent que les neurones du cortex, du cortex pariétal postérieur, du cortex préfrontal, de l’hippocampe, de l’hypothalamus, du thalamus et de l’amygdale soient actifs et travaillent ensemble pour créer une expérience de lecture cohérente.

La lecture n’est qu’une des merveilles du cerveau humain que nous tenons pour acquise. Conduire une voiture, faire du sport, écouter de la musique, jouer de la musique, marcher, faire de l’exercice, jouer à un jeu de société – toutes les choses qui composent notre vie de tous les jours et rendent la vie digne d’être vécue nécessitent une énorme activité neuronale et coordination. Comment ce niveau de coordination est-il possible?

Il y a plusieurs millénaires, une cellule s’enroulait autour d’un axone. Ce qui a suivi était une relation fortifiée à travers des millions d’années de sélection naturelle. Les deux cellules sont désormais inséparables. Chacun est nécessaire pour l’autre. Ils sont le duo dynamique du système nerveux.

Les axones sont les longues extensions nerveuses de neurones porteurs de signaux électriques (appelés potentiels d’action ou impulsions). Les axones permettent la circulation de l’information entre différentes régions du cerveau et différentes parties du corps. L’évolution a officialisé l’enroulement cellulaire autour de l’axone en une substance appelée myéline.

La relation entre les axones et la myéline a ouvert la voie à la puissance de traitement accrue, à la coordination améliorée et à l’adaptabilité qui caractérisent le cerveau humain et nous ont permis de prospérer. La première partie de cette série de duos dynamiques parlait d’une puissance de traitement accrue. La deuxième partie, cet article, se penchera sur l’amélioration de la coordination – une facette de notre cerveau qui rend possible des tâches cognitives complexes comme la lecture, l’écriture et la conduite automobile.

Coordination améliorée

Tout ce que nous faisons – du simple fait de tendre la main et de prendre un verre d’eau à la contemplation du sens de la vie et de notre place dans le cosmos – nécessite la coordination des neurones dans différentes régions du cerveau. Les neurones travaillant ensemble de cette manière sont appelés réseaux. Les neurones dont un réseau se compose et leur emplacement dans le cerveau dépendent de la tâche. Écouter de la musique, jouer de la musique, lire ou écrire, par exemple, peuvent tous utiliser des neurones légèrement différents. Bien qu’il puisse y avoir un chevauchement considérable, tout neurone ou groupe de neurones peut jouer un rôle dans de nombreuses fonctions cognitives différentes.

Les neurones se synchronisent en réseaux fonctionnels en envoyant des signaux électriques (potentiels d’action) dans les deux sens à intervalles réguliers. Pour comprendre ce processus, il est préférable de considérer les régions du cerveau comme des îles dans une mer calme. Aux fins de cette analogie, nous dirons que chaque île a deux habitants (représentant des neurones dans la même région cérébrale). Si nos insulaires veulent effectuer une tâche (parcourir le périmètre de l’île, par exemple) à l’unisson complet, on peut appeler «gauche» à chaque fois que leur pied gauche touche le sol. L’autre peut alors utiliser ce signal pour correspondre à sa démarche. Dans quelques pas, les deux habitants de l’île marcheront en parfaite synchronisation. En raison de leur proximité, l’énonciation et l’interprétation du signal peuvent être fréquentes et surveillées à un rythme très élevé. Ceci est un exemple de synchronisation locale.

Dans le cerveau, la synchronisation locale est effectuée par un type spécialisé de neurone appelé interneurones inhibiteurs. Les interneurones inhibiteurs agissent comme un médiateur, en ajustant avec précision le moment où les potentiels d’action sont passés dans les deux sens afin que l’activité neuronale de deux neurones ou plus puisse être synchronisée.

La synchronisation à longue distance, cependant, dépasse les capacités de l’interneurone inhibiteur. Si nos insulaires veulent se coordonner avec des personnes vivant sur une autre île, ils doivent utiliser une forme de communication à longue distance (crier ou agiter ne fonctionnera pas car les autres îles sont trop éloignées). Aussi intelligents soient-ils, celui qui appelle «à gauche» marche dans l’eau à chaque révolution complète de l’île, envoyant des vagues dans la mer calme qui les entoure.

Les vagues créées traversent la mer et tapent doucement sur le rivage d’une île lointaine. Les habitants de cette île (qui encerclent également le périmètre en synchronie pour leurs propres raisons) remarquent cette perturbation. En réponse, ils commencent à entrer dans l’eau à l’endroit où les vagues se brisent. À quelques révolutions de leur île, ils remarquent quelque chose: s’ils entrent dans l’eau trop tôt ou trop tard, ils perturbent la configuration des vagues. Mais, s’ils marchent juste au bon moment, ils envoient des vagues de force égale ou supérieure dans l’autre sens. Ils commencent à chronométrer leurs révolutions de l’île afin de pouvoir entrer dans l’eau au bon moment.

Nos premiers insulaires voient les vagues revenir se briser sur leur rivage. Eux aussi commencent à chronométrer leurs révolutions de l’île afin de pouvoir entrer dans l’eau au bon moment. Les deux groupes d’habitants de l’île synchronisant maintenant leur activité avec les vagues, ils se sont synchronisés par inadvertance. Ils travaillent maintenant ensemble.

Dans notre cerveau, les axones traversent le vide de communication entre les régions cérébrales (nos îles). Ces longues fibres s’étendant des corps des neurones sont les porteurs d’ondes. Des groupes de neurones au sein d’une région cérébrale – qui pourraient être le cortex, le cortex pariétal postérieur ou l’amygdale – se synchronisent à l’aide d’interneurones inhibiteurs. Ils envoient ensuite des potentiels d’action à d’autres zones via leurs axones. La synchronisation locale des neurones dans la région cérébrale réceptrice est influencée par ces potentiels d’action entrants et envoie des signaux de leur propre retour. La communication réciproque permet aux deux régions de se synchroniser et de former un réseau fonctionnel.

Le local associé à la synchronisation longue distance est la façon dont tous les neurones actifs pendant que nous lisons, conduisons, marchons, interprétons notre environnement ou discutons avec un ami travaillent ensemble pour effectuer toutes les petites tâches cognitives (reconnaissance de formes, planification, etc.) qui composent toute l’expérience unifiée.

Pour la synchronisation, et donc la formation de réseaux de neurones qui nous permettent de faire toutes les choses merveilleuses de la vie, le timing est tout.

Dans notre analogie avec les îles, il n’y avait pas de force extérieure capable de modifier la vitesse des vagues voyageant entre les îles. Si tel était le cas, cela prendrait une partie de la charge de chronométrage des insulaires, ce qui leur faciliterait la vie et la synchronisation. Heureusement, nos cerveaux humains ont développé un tel mécanisme.

La myéline, cette merveilleuse substance grasse qui s’enroule autour des axones, peut affiner la vitesse des potentiels d’action afin qu’ils arrivent à destination au bon moment. En modifiant subtilement le nombre d’enveloppes ou la longueur de l’enroulement, la vitesse du potentiel d’action peut être accélérée ou ralentie.

Les potentiels d’action sont de petites rafales d’électricité. Et l’électricité est générée par le mouvement de particules chargées appelées ions. La myéline augmente la vitesse des potentiels d’action en facilitant leur déplacement dans l’axone et en empêchant les ions de s’échapper à travers la membrane axonale, ce qui affaiblit le signal.

En s’enroulant autour de l’axone quelques fois de plus, la myéline peut accélérer un potentiel d’action en facilitant le déplacement des ions. Le contraire est également vrai: si quelques enveloppes de myéline sont retirées, les ions ne peuvent pas se déplacer aussi facilement dans l’axone et le potentiel d’action est ralenti.

Si la myéline change la longueur de son enveloppe, l’espace le long de l’axone où un potentiel d’action peut se déplacer rapidement est augmenté ou diminué. Cela accélère ou ralentit le temps total nécessaire à un signal pour parcourir toute la longueur d’un axone.

Ce sont deux changements incroyablement subtils. Mais quand il s’agit du cerveau et du timing, la subtilité compte. Les chercheurs estiment que même 10% de changements dans la myéline (en longueur ou en épaisseur) peuvent changer l’heure d’arrivée d’un potentiel d’action de quelques millisecondes. Et ce genre de divergence peut faire la différence entre la synchronisation et le désarroi entre les régions du cerveau.

L’analogie des îles ne comportait que deux îles – c’est relativement simple en termes de coordination. La lecture, comme mentionné ci-dessus, implique des neurones dans au moins sept régions cérébrales différentes (le cortex, le cortex pariétal postérieur, le cortex préfrontal, l’hippocampe, l’hypothalamus, le thalamus et l’amygdale). Plus il y a de régions, plus il faut de coordination. Et la lecture n’est pas unique. La plupart des compétences cognitives nécessitent la coordination d’au moins autant de zones du cerveau.

La coordination devient encore plus compliquée si l’on considère que les potentiels d’action arrivant en un seul endroit à partir de deux endroits ou plus parcourent des distances différentes et s’influencent mutuellement. Si le moment de leur arrivée est le bon, la force du potentiel d’action à l’arrivée est renforcée, ce qui le rend plus susceptible de s’enregistrer à destination. Cependant, s’il ne s’agit que d’un touch off, les signaux peuvent s’annuler et le potentiel d’action meurt.

Lorsque ce type de précision est requis, les centièmes et les milliers de millisecondes comptent. Sans myéline, une coordination de cette ampleur n’existerait tout simplement pas. Et la façon dont nous voyons le monde serait radicalement différente. Ce que nous considérons comme une conscience ne serait tout simplement pas possible.

Mais des questions subsistent: comment la myéline, coincée dans le vide de communication entre les corps cellulaires des neurones, s’adapte-t-elle aux besoins changeants des réseaux neuronaux? C’est le sujet à explorer dans la troisième partie de cette série: Adaptation.