Les contrôleurs qui gèrent le trafic aérien monitorent en temps réel les déplacements de milliers de vols aux destinations tout aussi variées que les types d’appareils utilisés et les cargaisons transportées. Afin de bien coordonner les arrivées et départs, la vitesse des avions doit être constamment ajustée. Sans ce contrôle de chaque instant, selon des règles de navigation claires, le chaos s’installerait dans l’espace aérien et toute la chaîne en serait perturbée.
Mes recherches en neurophysiologie et en neurosciences m’ont montré à quel point notre cerveau est un système biologique riche et complexe. Chaque jour, il fait face à la même situation qu’un contrôleur aérien, mais à une tout autre échelle : il doit gérer le trafic incessant de signaux qui transitent entre des milliards de neurones et en coordonner leur tempo, et ce constamment. Comment fait-il ? Voyons voir…
La majorité du volume de notre cerveau est occupé par des câbles. Ces câbles, appelés axones, forment un réseau complexe que l’on appelle matière blanche. Tel un labyrinthe de routes aériennes reliant plusieurs villes partout dans le monde, la matière blanche gère la communication et la coordination entre les diverses zones où des populations de neurones traitent l’information. Ces zones sont situées en divers endroits du cerveau, parfois proches l’une de l’autre, mais parfois loin – c’est le principe de calcul distribué.
Plus ça va vite, mieux c’est !
Le contrôle du trafic dans le cerveau est donc capital : plus l’information y transite rapidement, plus les différentes zones du cerveau coopèrent (ou vont coopérer) efficacement pour permettre le bon fonctionnement de la mémoire et d’autres aspects de la cognition.
Pour maintenir ce trafic incessant, des cellules très spéciales, les oligodendrocytes, jouent le rôle de contrôleurs en enveloppant les axones d’une substance qui porte le nom de myéline. Cette myéline est un isolant à base de lipides (ou de gras) d’une couleur pâle caractéristique, d’où le nom de matière blanche. Elle permet aux signaux électriques des neurones de parcourir de longues distances sans ralentir ou perdre de l’intensité. Toutefois, la myéline offre également un avantage à l’information transitant à travers la matière blanche : elle permet aux signaux d’arriver à temps, soit ni trop tôt ni trop tard.
On sait aujourd’hui qu’en raison de sa plasticité́, la géographie du cerveau change constamment. Or de nouveaux résultats publiés au cours des dernières années ont démontré́ que la matière blanche se transforme, non seulement au cours du développement, mais aussi de façon adaptative par la suite, lors de l’apprentissage, par exemple.
Les règles du trafic neuronal
Alors que jusqu’ici, ce type de plasticité avait été observée principalement dans les synapses de la matière grise, il a maintenant été démontré que la structure de la matière blanche s’adapte et se réorganise constamment. Grâce à cette forme de plasticité, appelée la myélinisation adaptative, la structure et les propriétés de la matière blanche sont optimisées. Ainsi, la communication entre les neurones est maintenue même lorsque la taille, l’activité et les connexions du cerveau changent. De fait, les oligodendrocytes peuvent donc ajuster la quantité de myéline pour accélérer ou ralentir la propagation des signaux et maintenir la stabilité́ du trafic neuronal.
Mais de quelle façon et comment la matière blanche et ses cellules gliales s’adaptent-elles pour stabiliser le trafic neuronal et accomplir cet incroyable défi de coordination ?
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Cette question, comme plusieurs qui concernent les cellules gliales, est difficile à répondre avec les méthodes de neuro imagerie traditionnelles, mais elle est de première importance pour mieux comprendre les maladies neurodégénératives. Citons, à titre d’exemple, la sclérose en plaques, qui provoque un amincissement de la myéline et amène une désorganisation systémique du transit de l’information dans le cerveau, causant ainsi de profonds troubles cognitifs et moteurs.
Une activité neuronale coordonnée
Une étude interdisciplinaire récente permet de mieux comprendre les règles qui régissent le contrôle du trafic neuronal dans la matière blanche. Pour mieux comprendre, il est important de souligner que l’activité des neurones – des séries d’impulsions qui rappellent le code Morse – n’est pas aléatoire. Les neurones ont plutôt tendance à s’activer en groupe et se synchroniser, générant ainsi des ondes ou des oscillations, communément appelées rythmes cérébraux. Les chercheurs croient que pour pouvoir communiquer entre elles, les différentes zones du cerveau doivent pouvoir aligner et coordonner ces rythmes.
De nouveaux résultats obtenus grâce aux données d’imagerie cérébrale chez l’humain et combinées à des modèles mathématiques, montrent que la matière blanche se réorganise dans le but d’optimiser l’alignement de ces rythmes. Pour ce faire, elle contrôle la vitesse à laquelle ces ondes se propagent dans la matière blanche en ajustant la quantité de myéline présente.
Les oligodendrocytes adaptent donc la conductivité des axones pour leur permettre de répondre efficacement à une demande changeante du trafic neuronal et orchestrer l’alignement entre les oscillations présentes dans différentes parties du cerveau. De réels contrôleurs aériens cellulaires !
Même malade, le cerveau gère
Autre résultat surprenant : les propriétés plastiques de la matière blanche semblent aussi permettre au cerveau de s’adapter malgré la présence de maladie ou de lésion. En effet, il a été démontré que la matière blanche peut se réorganiser en présence de dommages pour préserver la communication et la synchronisation entre les neurones, même si des connexions devenaient soit absentes ou endommagées, par exemple en présence d’un cancer.
Certaines expériences chez les animaux ont démontré que si on empêche les cellules gliales de s’adapter en présence d’une lésion, cela a pour effet de limiter le rétablissement, en plus de causer de nombreux troubles cognitifs et comportementaux.
La plasticité de la matière blanche semble donc être un élément clé de la résilience du cerveau et pourrait donc représenter une option intéressante pour développer de nouvelles approches thérapeutiques, notamment chez les victimes d’accident vasculaire cérébral (AVC). Ces nouveaux résultats soulignent l’importance des cellules gliales et de la plasticité de la matière blanche dans le fonctionnement et la flexibilité des procédés cognitifs.