Les bases : les neurones, les synapses et les autres

Pour commencer, assurons les présentations. Dans votre boîte crânienne cohabitent plusieurs espèces plus ou moins bien connues. Vous connaissez bien entendu les premiers habitants, il s'agit des neurones. Il en existe de différentes formes mais les plus courants ressemblent à cela :

Vous possédez, heureux bipèdes que vous êtes, quelques 100 milliards de neurones. Précisons tout de suite qu’il s’agit d’un chiffre moyen. Non qu’il s’agisse d’une moyenne entre les valeurs de la police et celle des organisations syndicales, mais tout simplement qu’il faudrait des siècles pour tous les compter à raison de un par seconde. Tout cela tient dans un volume un peu plus petit qu’une bouteille d'eau minérale (1,4 Litre environ) Tous vos corps de neurones (ou soma) mis bout à bout mesureraient 1000 km de long. Alors imaginez si l’on comptait la longueur des câbles !

Monsieur +

Le corps d'un de vos neurones mesure de l’ordre d’une dizaine de microns. Vous en possédez 100 milliards, cela fait donc bien 1000 km. Et comme vos axones, les câbles peuvent mesurer jusqu’à plus d’un mètre, je n’ose donc pas vous dire combien de tours de terre pourraient faire vos câblages mis bout à bout!

Les neurones sont les seules cellules de notre corps ayant notre âge : toutes les autres cellules nous constituant se renouvellent à un rythme différent selon l'organe. Les cellules des muscles des côtes sont les plus longues à se renouveler alors que celles de la peau se renouvellent très rapidement .
Ainsi aussi incroyable que cela puisse paraître, tous les 15 ans nous nous sommes renouvelés absolument en totalité ! Autrement dit, pas une seule cellule de votre corps actuel n'était présente dans votre corps d'il y a quinze ans (revoyez vos photos anciennes sous ce regard nouveau, c'est intéressant) … à l'exception de vos neurones qui eux possèdent vraiment l'ancienneté de votre état civil.

En amont du noyau de la cellule, les dendrites récupèrent l'information électrique en provenance des autres neurones. Ces signaux électriques vont être additionnés / soustraits et si le résultat final s'avère au-delà d'un certain seuil, un signal électrique va emprunter le câble de l'axone autrement dit le câble de sortie, et ce jusqu'à son extrémité.

Les signaux des dendrites ( flèches rouges ) convergent vers le corps du neurone
puis le signal repart dans l’axone ( flèche verte )

Monsieur +

Comment se transmet le signal électrique dans votre cerveau le long des 'câbles' (dendrites en amont, axone en aval ) ? Pas vraiment de la même manière que dans un fil électrique qui transporte lui simplement des électrons d'un bout à l'autre. Pour un neurone, l'on parle de potentiel d’action : car au repos, le potentiel électrique à l'intérieur du neurone est de -70 mV. Cela s'explique par des échanges d'ions (essentiellement sodium et potassium) ayant lieu en permanence à travers la membrane du 'câble' et dont le bilan global à l’intérieur est négatif au repos à hauteur de -70 mV. Puis à l'arrivée d'un signal extérieur, le potentiel passe à + 30 mV, soit un saut de 100mV pendant 2 à 3 millisecondes. Ce sursaut s'effectue toujours par échanges d'ions entre extérieur et intérieur de la membrane mais plus ordonné qu'au repos. Ces traversées de membranes ont lieu de proche en proche tout le long du 'câble' et le signal progresse ainsi jusqu'au terminus du neurone, jusqu'à la synapses. Autre différence avec ce qui se passe dans un fil électrique : le signal ne se transmet pas tant que le potentiel n'atteint pas +30mV. S'il reste en dessous de cette valeur, rien n'est transmis, ce qui crée un effet de seuil. En simplifiant, l'on peut dire que lorsque vous avez un mot sur le bout de la langue, vous n'avez pas atteint le seuil des +30mV au bon endroit !

Ensuite, au bout de l'axone, c'est le vide jusqu'au dendrite du neurone suivant. Oh, bien sûr ce vide est minuscule. A tel point que les scientifiques ont mis longtemps pour le découvrir. Alors comment le signal va-t-il franchir ce vide ? En fait, des molécules vont faire le lien. On les appelle fort à propos des neuromédiateurs ou neurotransmetteurs. Des réservoirs de ces molécules de liaison se situent à l'extrémité de l'axone et vont permettre de faire traverser l'information de l'autre coté. Cette traversée s'effectuera donc de manière chimique et non plus électrique: c'est beaucoup plus lent certes, mais cela permet de moduler le signal qui jusque là est de la forme ' tout ou rien ' comme dans tous les ordinateurs. Là réside un des secret de la puissance du cerveau et nous irons voir de plus près chaque fois que nécessaire ce qui se passe dans ce vide entre 2 neurones que l'on appelle la synapse.

Représentons-là rapidement pour l’instant : En haut, l’extrémité du neurone (1) amont. En bas, le départ du neurone aval (2), entre les deux le vide de la synapse et les molécules de neurotransmetteurs qui circulent du (1) vers le (2) pour assurer le passage du signal :

Monsieur +

Autre acteur dans votre boîte crânienne : les cellules gliales dont le nom provient de la glue. Deux principales familles très différentes de cachent derrière ces cellules gliales : 1 – Les astrocytes assurent la logistique des neurone, mais leur rôle pourrait bien s'avérer plus stratégique que ce que les scientifiques imaginaient. Ils semblent en effet intervenir dans la transmission du signal entre neurones, dans le vide de la synapse. 2 – Les oligodendrocytes assurent la myélinisation des axones des neurones. Ils forment ainsi une gaine isolante autour des câbles, un peu comme la gaine plastique de nos fils électriques. Cette enveloppe permet de multiplier par 10 la vitesse de propagation du signal. Lorsqu’une maladie comme la sclérose en plaque détruit cette gaine de myéline, s’ensuivent de graves disfonctionnements du cerveau.

Super Monsieur +

Plusieurs équipes scientifiques le pressentaient ! Une équipe franco-britannique vient de le démontrer : Les astrocytes, cellules du cerveau bien moins connues que les neurones mais au moins tout aussi nombreuses, jouent un rôle important dans la transmission des informations dans le cerveau. Les astrocytes étaient jusque là cantonnés au rôle d'intendance, essentiel pourtant mais moins prestigieux, comme dans la vie : logistique pour l'alimentation des neurones et nettoyage ( cellules mortes..). L'équipe de Stéphane Oliet à mis en évidence que les astrocytes, en libérant dans la synapse des molécules spécifiques facilitent la communication entre les 2 neurones de part et d'autre de cette synapse. Einstein avait dans certaines zones de son cerveau réservées aux tâches les + hautes une proportion de cellules gliales incroyablement élevé, ce qui n'avait pas à l'époque dépassé la simple curiosité

SUPER SUPER Monsieur +

La D-Sérine émise par les astrocytes permet d'augmenter le nombre de récepteurs (ceux du type NMDA) sur le neurone récepteur. Ceux-ci reçoivent donc plus de glutamate, neuro-transmetteur libéré par le neurone amont ce qui améliore ainsi la transmission du signal. Ce mécanisme pourrait même jouer un rôle dans la fameuse plasticité du cerveau.

Contrairement à l’ordinateur dont les connexions sont établies une fois pour toutes en usine, notre cerveau se construit et évolue en permanence. Il nous est livré à la naissance certes avec son stock de neurones quasi définitif, mais il n’est câblé qu’à 10%. L’enfance et l’adolescence vont consister en un chantier phénoménal pendant lequel des milliards de connexions vont se faire mais aussi se défaire à un rythme inimaginable. Tellement sidérant que nos quelques malheureux 25 à 30 000 gènes, en supposant qu’ils soient tous consacrés au cerveau, s’avéreraient ridiculement insuffisants s’ils définissaient toutes les liaisons. Et même si le rythme va se calmer à l’âge adulte, les branchements et débranchements vont se poursuivre tout au long de la vie. Ce qui nous permettra de nous adapter à quasiment toutes les situations, y compris celles qui sont nouvelles. Et les plus grands cerveaux de la planète spécialisés en intelligence artificielle ont toutes les peines du monde à reproduire cette propriété chez un robot. : un enfant de 3 ans parvient sans difficulté à reconnaitre un arbre sur une photo. Un ordinateur, même puissant n’y parvient pas parce qu’il analyse la photo par points (pixels) et non par ses aspects plus globaux (formes, limites...).

Rançon partielle de ce mode de fonctionnement en réseaux, la fiabilité, la capacité et la rapidité de traitement du cerveau sont moindres. Si un ordinateur est parvenu - certes au bout de nombreux essais infructueux - à battre un champion du monde d'échecs, c'est que ses capacités et sa rapidité de traitement, devenues phénoménales, ont finit par pallier son manque de capacité à 'réfléchir' face à l'homme. En d’autres termes, ce qu’un ordinateur ne possède pas en capacité d’adaptation, en évolutivité, en ‘intelligence’, il le compense dans certaines circonstances par le nombre faramineux de calculs élémentaires qu’il peut effectuer en une seconde.

Monsieur + vous propose une petite expérience :

Petite expérience toujours étonnante pour évaluer la vitesse de transmission de l’influx nerveux. Il faut être deux. Demandez à un ami de tenir un livre vertical par le haut. Vous vous mettez face à lui, votre main prête à saisir le livre entre le pouce et les autres doigts. Vos doigts peuvent frôler le livre sans le toucher. Votre ami va lâcher le livre sans prévenir, d’un coup, et vous allez l’attraper entre vos doigts afin qu’il ne tombe pas par terre. Facile non ?

Mettez-vous tout de même au-dessus d’une couverture au sol ou au-dessus d’un matelas pour ménager le livre au cas où il tomberait, on ne sait jamais !
Vous êtes prêts ? Alors essayez. Vous avez manqué votre premier essai ? Réessayez ; peut-être n’êtes-vous pas très en forme aujourd'hui ? Second essai également manqué ? Une troisième et dernière tentative; cette fois, vous vous concentrez à fond. N’allez pas vous énerver de manquer le livre à chaque fois. Rassurez-vous, personne n'y parvient sans tricher, alors que cela parait si facile.

Explication en analysant les temps respectifs :
* Entre le moment où votre ami lâche le livre et celui où le haut du livre est passé plus bas que vos doigts, il s’écoule 1/5ème de seconde soit 200 millisecondes.
* Entre le moment où vos yeux perçoivent l’information et le moment où votre main se referme, il s’écoule 1/3 de seconde au mieux, soit 330 millisecondes soit 130 de plus.
Impossible donc de capter le livre, et si cela arrive c’est que vos doigts sont partis avant le lâcher du livre.

Suivons l’influx nerveux cheminant dans votre cerveau : les cellules de vos rétines reçoivent les photons émis par le livre chutant qui pénètrent dans votre œil. L’information brute est transmise via le nerf optique à votre cortex visuel à l’arrière de votre tête. Elle va alors y être traitée - détection des formes, du mouvement…- avant d’être récupérée par les aires associatives à l’avant de votre cerveau : celles-ci vont déclencher alors, selon les instruction reçues, l’ordre au cortex moteur situé vers le sommet de votre cerveau - coté gauche s’il s’agit de votre main droite-, d’actionner votre main. L’information va passer par la moëlle épinière pour arriver jusqu’à vos doigts qui vont alors enfin se refermer. Trop tard car tout cela prendra 1/3 de seconde.

Votre cerveau fonctionne 24h / 24h, même pendant la nuit. Toutefois, il se ressource lors de certaines phases du sommeil.
Autre particularité unique du cerveau : il constitue la seule partie du corps humain insensible à la douleur : quand on opère le cerveau, l'anesthésie locale n'est utile que pour ce qui est à l’extérieur du cerveau comme la boîte crânienne et pour surveiller l'évolution du patient, en cas de problème…. En fait lorsque l'on a mal à la tête, cela vient des sinus, des dents, des muscles de la tête… mais jamais du cerveau lui-même.