Le duo dynamique du système nerveux

Don Quichotte et Sancho Panza. Michael Jordan et Scottie Pippen. Holmes et Watson. Des personnages liés par des circonstances, une opportunité ou un destin. Parfois, ce sont des amis; d’autres fois, la relation est plus antagoniste. Quelles que soient la raison et la dynamique du syndicat, il est toujours clair que l’un a besoin de l’autre. Ils sont juste mieux ensemble. Qui serait Butch Cassidy sans le Sundance Kid? Han Solo pourrait-il être Han Solo sans Chewbacca?

Il y a quelque chose de séduisant dans le récit dynamique du duo. Il imprègne la littérature et les films. Nous le recherchons dans la couverture sportive. Et nous essayons de le trouver dans nos propres vies. Peut-être que nous sommes attirés par l’histoire du duo dynamique parce que c’est une partie essentielle de qui nous sommes. C’est peut-être qui nous sommes.

Des duos dynamiques peuvent être trouvés tout autour du corps. Les mitochondries – les petites machines cellulaires générant la plupart de l’énergie nécessaire à nos cellules vivantes – sont les descendants de procaryotes engloutis. Les bactéries tapissent la peau, les voies respiratoires et l’intestin, assurant des fonctions protectrices et facilitatrices essentielles. Même les virus (malgré leur mauvaise réputation) sont essentiels à notre existence. On estime qu’au moins 8% du génome humain contient les fantômes d’anciens rétrovirus qui se sont frayés un chemin dans notre ADN. Les virus peuvent nous fournir des gènes utiles qui nous rendent plus capables de fonctionner dans notre environnement.

Il y a quatre cent vingt-cinq millions d’années, une synergie s’est développée au sein du système nerveux du poisson à la mâchoire charnière, un placoderme. Les pressions de l’adaptation et de la sélection naturelle ont forgé une relation de «duo dynamique» qui a ouvert la voie à l’évolution de notre cerveau pour qu’il devienne ce qu’il est aujourd’hui. Il y a des millénaires, une cellule – peut-être un type de phagocyte primitif – s’enroulait autour d’une fibre nerveuse. Cet emballage cellulaire était essentiel pour augmenter la puissance de traitement, améliorer la coordination entre les régions du cerveau et la capacité d’adaptation qui ont permis à notre espèce de prospérer.

Mais la relation est délicate. Lorsque la balance penche vers un dysfonctionnement, des maladies du système nerveux apparaissent. La sclérose en plaques, la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson, la dépression et l’anxiété sont attribuables ou liées à des perturbations de ce duo dynamique du système nerveux.

Cet article, partie I de cette série sur le duo dynamique du système nerveux, examine la puissance de traitement cérébrale accrue allouée par cette relation entre les cellules cérébrales.

Augmentation de la puissance de traitement

L’électricité est la monnaie d’information du cerveau. De petites rafales voyagent de neurone en neurone et de neurone à cellule, permettant aux régions du cerveau de communiquer entre elles et avec différentes parties du corps. Ces petites rafales sont appelées potentiels d’action ou impulsions. Les potentiels d’action parcourant tout le corps rendent possible le mouvement conscient de nos bras, jambes et autres extrémités. Ils nous permettent de penser, de raisonner et de nous souvenir. Ils nous permettent de ressentir.

Les potentiels d’action sont générés par le mouvement de minuscules particules appelées ions. Les ions attendent à l’intérieur et à l’extérieur du neurone jusqu’à ce qu’il soit stimulé. Ils s’écoulent ensuite à travers la barrière membranaire du neurone et dans les régions adjacentes, déclenchant l’entrée de plus d’ions. Lorsque les ions dans les zones suivantes entrent, l’impulsion électrique peut voyager.

Les potentiels d’action voyagent le long d’extensions filiformes appelées axones. Lorsque la fin d’un axone est atteinte, un messager chimique transmet le signal électrique à la cellule suivante. La vitesse à laquelle l’impulsion peut voyager est, en partie, dictée par la facilité avec laquelle les ions peuvent s’écouler sans être gênés ou perdus à l’extérieur de la cellule.

La vitesse, ainsi que le grand nombre d’opérations que le cerveau peut effectuer simultanément, déterminent la puissance de traitement du cerveau. Une opération peut être simple – comme déplacer votre doigt ou calculer 2 + 2 – ou elle peut être complexe, par exemple un raisonnement abstrait ou déterminer quel sera votre prochain coup pendant une partie d’échecs. La composante vitesse de la puissance de traitement est limitée par la vitesse du potentiel d’action. Le nombre d’opérations simultanées reflète le nombre d’éléments capables de communiquer à l’aide de potentiels d’action.

Il y a des centaines de millions d’années, les ancêtres des poissons à mâchoires charnières étaient soumis à une pression évolutive pour devenir plus gros et plus rapides – probablement pour qu’ils ne soient pas des cibles aussi faciles pour les prédateurs et puissent devenir eux-mêmes de meilleurs prédateurs. Mais une augmentation de taille pose un problème structurel, qui ne peut être surmonté qu’en augmentant la puissance de traitement du cerveau. Si le corps grossit, les neurones doivent s’allonger. Un poisson ne peut pas commander le mouvement de sa nageoire caudale sans que des signaux électriques soient transmis du cerveau, sur toute la longueur du corps, et aux muscles responsables du mouvement de va-et-vient de la queue.

Si le neurone s’allonge et que la vitesse du potentiel d’action ne change pas, le temps nécessaire au signal pour voyager de son origine à sa destination doit augmenter. Dans le cas du poisson à mâchoires charnières, cela signifie que les signaux commandant la nageoire caudale n’y arriveront pas très vite et que le poisson ne pourra pas se déplacer aussi rapidement qu’il le faut.

La biologie a développé deux façons d’augmenter la vitesse de transduction du signal. La première consiste à augmenter le diamètre de l’axone. Un axone est un peu comme un tuyau d’arrosage avec un tas de crasse (sauf que dans l’axone, la crasse est une machinerie cellulaire nécessaire). L’eau qui coule à travers le tuyau d’arrosage sera entravée par toute la crasse dans laquelle elle se heurte. Si vous augmentez le diamètre du tuyau d’arrosage, vous donnez à l’eau plus d’espace pour contourner la crasse, ce qui lui permet de se déplacer plus rapidement.

Les céphalopodes comme le calmar et le poulpe ont adopté cette approche pour augmenter la vitesse de transduction du signal. Mais cela se limite aux quelques neurones impliqués dans la réponse d’évasion rapide.

La deuxième façon d’augmenter la vitesse de transduction du signal est d’isoler l’axone. Lorsque les ions se déplacent le long de la fibre nerveuse, certains s’échappent, affaiblissant la force du signal. Si le signal n’est pas assez fort pour déclencher le mouvement des ions à travers la membrane dans les zones voisines, le signal meurt. Envelopper un axone dans un matériau qui préserve la force du signal sur de plus grandes longueurs le long de la fibre nerveuse permet à l’impulsion de se déplacer plus rapidement.

Dans notre cerveau, la myéline est la substance enveloppant les axones pour préserver la force du signal et accélérer la transduction du signal. La myéline est la descendance évolutive d’une cellule qui a enveloppé par hasard un axone dans le poisson à mâchoires charnières il y a des millions d’années.

Pourquoi l’évolution a-t-elle choisi la myéline plutôt que l’augmentation du diamètre des axones pour accélérer la transduction du signal? C’est probablement à cause de l’espace.

Le cerveau et la moelle épinière sont confinés dans le crâne au sommet de notre tête et les vertèbres qui descendent le long de la ligne médiane de notre dos. Cela est vrai pour nous et vrai pour une grande partie de notre ligne évolutive. Être caché derrière ces structures rigides introduit des contraintes particulières – ce qui signifie qu’il y a une limite à la taille du cerveau et de la moelle épinière. Et cette limite est atteinte beaucoup plus rapidement que l’augmentation du diamètre des axones nécessaire pour s’adapter à une augmentation modeste de la taille du corps.

Nous, les humains, avons besoin d’une vitesse de transduction du signal d’environ cinquante mètres par seconde. Pour atteindre cette vitesse en augmentant le diamètre de l’axone, la moelle épinière (qui est constituée d’étendues d’axones) aurait besoin d’un mètre de diamètre – environ dix fois ce qu’elle est maintenant! Ce n’est pas vraiment peu encombrant.

En enveloppant les axones dans la myéline, nous sommes en mesure d’augmenter considérablement la vitesse de transduction du signal tout en maintenant un diamètre d’axone qui est spatialement viable. Cela nous permet de maintenir un nombre élevé de neurones (et d’autres cellules cérébrales) tout en étant capable d’augmenter la vitesse de transduction du signal. Le maintien d’un nombre élevé de contacts potentiels dans le cerveau laisse la place à une puissance de traitement accrue en augmentant le nombre d’opérations pouvant être effectuées simultanément. En d’autres termes, cela laisse la place à des processus cérébraux d’ordre élevé tels que la perception complexe, le jugement et la planification. Ce sont des fonctions cérébrales qui nécessitent l’utilisation et la coordination de nombreuses opérations simultanément.

La prochaine partie de cette série explorera comment l’interaction entre la myéline et les axones (notre duo dynamique du système nerveux) a ouvert la voie à une meilleure coordination entre les régions du cerveau.