dimanche 6 août 2017

L'Optogénétique – La Nouvelle Révolution de l'Étude du Cerveau


L'optogénétique agit comme un interrupteur marche/arrêt pour activer et inactiver des neurones


Depuis leur essor dans les années 1990, les différentes techniques d'imagerie cérébrale  qu'il s'agisse de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), de la tomographie par émission de positrons (TEP) ou de l'électroencéphalographie (EEG), plus ancienne  ont permis aux chercheurs d'en apprendre énormément sur le fonctionnement du cerveau.

Mais la neuro-imagerie, comme toute méthode d'investigation, a aussi ses limites. Et depuis quelques années, c'est une nouvelle technique, encore plus sophistiquée, qui attire de plus en plus l'attention des explorateurs du cerveau.

Il y a une dizaine d’années, des neuro-scientifiques ont cherché à utiliser des protéines sensibles à la lumière pour les introduire dans les neurones de rongeurs, afin de contrôler l’activité électrique des neurones par impulsions lumineuses : l’optogénétique était née. Par cette approche, on peut désormais activer et inhiber à volonté des neurones spécifiques, en observer les conséquences sur le fonctionnement cérébral, et sur le comportement des individus.

Cette technique révolutionnaire permet d’allumer et d’éteindre avec de la lumière des populations de neurones génétiquement modifiés, permettant ainsi non seulement d’étudier le fonctionnement des circuits neuronaux mais également de développer de nouvelles approches thérapeutiques pour les troubles neurologiques et psychiatriques. Elle permet de stimuler spécifiquement un type cellulaire en laissant les cellules voisines intactes.

L’optogénétique est une combinaison entre optique et génie génétique. Elle est née avec la découverte de la channelrhodopsine  une protéine issue d’une algue unicellulaire. Cette protéine est sensible à la lumière et possède la propriété d'être activée par la lumière bleue. L’idée est de l’introduire dans les neurones, apportée par une fibre optique, pour qu’elle crée un courant électrique au travers de la membrane cellulaire. Ainsi, il serait possible de contrôler son activité en excitant ou en inhibant les cellules via un faisceau lumineux.

La caractéristique de l'optogénétique est l'introduction de canaux rapidement activés par la lumière et d'enzymes qui permettent une manipulation des évènements électriques et biochimiques très précise dans le temps.

Là réside la vraie révolution de l'optogénétique. Les méthodes d'imagerie dévoilent le fonctionnement du cerveau à l'échelle macroscopique, celle des grandes régions cérébrales. L'optogénétique le fait à une échelle intermédiaire, mésoscopique, correspondant à des assemblées de quelques centaines, voire quelques dizaines de neurones seulement.

En insérant un ou plusieurs gènes d’opsine dans certains neurones chez les souris, les biologistes sont maintenant en mesure d’utiliser la lumière visible pour activer ou désactiver des neurones spécifiques à leur volonté. Au fil des années, les scientifiques ont adapté les versions de ces protéines qui répondent aux différentes couleurs, allant du rouge foncé, au vert, au jaune, au bleu. En mettant différents gènes dans des cellules différentes, ils utilisent des impulsions de lumière multicolores pour activer un neurone, puis plusieurs de leurs voisins dans une séquence de temps précis.


Un cerveau génétiquement modifié


A terme, les spécialistes de l'optogénétique espèrent que cette technique, en plus d'affiner notre connaissance du cerveau sain, permettra de mieux guérir le cerveau malade.

Parmi les neurones, certains, dits dopaminergiques  ils libèrent de la dopamine  sont ceux qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson ; d'autres, dits cholinergiques  ils libèrent de l'acétylcholine  sont importants pour l'attention et la mémoire et sont les premiers à s'étioler dans la maladie d'Alzheimer ; d'autres dits sérotoninergiques  ils libèrent de la sérotonine  jouent un rôle clef dans le sommeil et ses troubles.

Avec les méthodes du génie génétique utilisées dans l'optogénétique, il est tout à fait possible de cibler, parmi les 100 milliards de neurones, l'une ou l'autre de ces populations spécifiques. Par exemple, les seuls neurones dopaminergiques, relativement peu nombreux. Et de les sur-activer artificiellement au moyen de flashs lumineux, pour augmenter leur production de dopamine et réduire ainsi les symptômes de la maladie Parkinson.


La channelrhodopsine-2 (ChR2) : l’ingrédient clé de l’optogénétique


La ChR2 est une protéine découverte, par des chercheurs allemands en 2003, dans une algue unicellulaire répondant au nom de Chlamydomonas reinhardtii. Elle ressemble beaucoup au canal sodium, puisqu’elle s’insère dans la membrane des cellules et peut laisser passer des ions. Mais sa particularité, c’est que son ouverture est commandée par la lumière.

Quand la protéine ChR2 reçoit la lumière bleue, elle change de forme et donne naissance à un petit trou d’environ 6 Angström, suffisant pour laisser passer les ions à l’intérieur de la membrane. Ceci "active" le neurone produisant de nombreux potentiels d'action.

Les biologistes Ed Boyden et Karl Deisseroth ont eu l’idée qui est à la base de l’optogénétique : si la ChR2 se comporte comme un canal répondant à la lumière, on peut l’utiliser pour faire décharger des neurones à la demande. L’expérience fondatrice a ensuite eu lieu en 2005 à l’université de Stanford.

De nombreux progrès ont été faits, notamment pour créer artificiellement d’autres protéines similaires à la ChR2, mais agissant de manière différente, par exemple en jouant le rôle d’inhibiteur au lieu d’activateur, en réagissant à des couleurs différentes ou avec des temps de réponse modifiés.

L’avancée la plus importante a été son application dans les sous-groupes de neurones. L’optogénétique peut être utilisée pour activer ou désactiver une zone du cerveau et identifier son rôle dans le comportement, mais aussi cibler des types spécifiques de neurones dans une même région du cerveau.

Au fil des années, la modification par génie génétique des protéines existantes, ainsi que la découverte d’autres protéines sensibles à la lumière, ont permis aux chercheurs d’avoir accès à toute une panoplie d’outils pour contrôler l’activation des neurones.


Fonctionnement



Étapes pour l'application de l'optogénétique sur l'étude du cerveau

Le fonctionnement de l’optogénétique repose principalement sur l’insertion, au niveau cérébral, des gènes codant pour une protéine photo-active habituellement d'origine bactérienne appelée opsine.

Le gène d'une micro-algue servant à synthétiser de l'opsine, une protéine photosensible, est isolé et modifié en laboratoire.

Ce gène est couplé avec un promoteur, petit fragment d'ADN qui permet d'en limiter l'activation à un certain type de neurone; en fonction du promoteur choisi, on cible une population spécifique de neurones.

L'ensemble est inséré dans un virus désactivé qui, une fois injecté dans le cerveau du cobaye, servira de vecteur à l'intérieur de celui-ci.

L'optogénétique permet de contrôler une souris à distance, grâce à une fibre optique émettant de la lumière directement dans son cerveau


Une fibre optique introduite dans le cerveau envoie un flash lumineux qui fait réagir les neurones ciblés ayant fabriqué l'opsine à l'aide du gène.

Il existe différentes opsines réagissant à des lumières de différentes couleurs; certaines d'entre elles activent le neurone, d'autres l'inhibent.

Cette technique a des implications réelles d’une grande importance pour le traitement de certaines maladies incurables aujourd'hui encore incluent :


* Elle a servi pour contrôler les crises d’épilepsie chez des modèles animaux expérimentaux.

* En manipulant des neurones dopaminergiques qui font partie du circuit de la récompense du cerveau, cela a été en mesure d’améliorer ou de prévenir la dépendance à la cocaïne ou de traiter les animaux de la maladie de Parkinson.

* Le contrôle neuronal du sommeil et de l’éveil a pu être manipulé à volonté. L’activation optogénétique de certains neurones appelés hypocretins interrompt le sommeil d’un animal profondément endormi, tandis que l’inhibition optogénétique de ces neurones entraîne un état immédiat de sommeil profond chez les animaux qui étaient éveillés au moment d’appliquer le stimulus lumineux. Ces constatations ont jeté les bases pour développer des médicaments qui modulent le sommeil et pour le traitement des troubles tels que la narcolepsie.

* Avec l’aide des méthodes optogénétiques, un groupe de neurones dans l’hypothalamus a été activé sélectivement. L’activation seule de ces neurones a été suffisante pour induire l’appétit, même chez des animaux rassasiés et sans entrainement préalable, démontrant qu’un comportement compliqué tel que l’alimentation peut être contrôlé optogénétiquement. En revanche, l’activation d’un autre groupe de neurones, situé dans la même région du cerveau, réduit l’appétit et entraîne une perte de poids en moins de 24 heures, ce qui pourrait être utilisé comme un traitement futur pour les patients souffrant d’obésité.

* Si il y a une arythmie cardiaque, le cœur pompe à nouveau le sang au rythme de la lumière. En fait, le premier stimulateur cardiaque axé sur l’optogénétique a été développé.

*
*     *

L’optogénétique permet récupérer la mémoire perdue


Des chercheurs du Centre de recherche sur l'apprentissage et la mémoire du Massachusetts Institute of Technology (MIT), selon une étude publiée dans la revue Science en mai 2015, sont parvenus à réactiver la mémoire perdue de rongeurs grâce à la lumière bleue.

 Les chercheurs supputaient l'existence dans le cerveau d'un réseau de neurones qui, activés pendant la formation d'un souvenir, entraînent des changements physiques ou chimiques appelés engrammes. Si ces groupes de neurones  appelés engrammes par extension  sont ensuite réactivés par une image, une odeur ou une saveur, toute la mémoire enregistrée devrait revenir. Pour démontrer l'existence de ces groupes de neurones engrammes, les scientifiques ont utilisé l'optogénétique chez des souris : technique consistant à ajouter des protéines aux neurones pour leur permettre d'être activés par la lumière.

Expérience optogénétique
réalisée avec des souris
Les spécialistes supposent que ces neurones subissent des modifications chimiques selon un processus appelé "la consolidation de la mémoire". Un des changements clé consiste au renforcement des synapses, ces structures qui permettent à des groupes de neurones de se transmettre des messages. Pour éprouver ce fonctionnement théorique, les chercheurs du MIT ont tenté de voir ce qui se passerait si cette consolidation des synapses ne se produisait pas. Ainsi, ils ont administré à des souris une substance chimique, l'anisomycine, qui bloque la synthèse de protéines dans les neurones immédiatement après la formation d'un nouveau souvenir, empêchant cette consolidation.

Concrètement, un premier groupe de rongeurs avait été placé dans une cage dite "A" où il avait reçu une décharge électrique dans les pattes. Placées ultérieurement dans cette même cage, les souris non traitées ont aussitôt montré leur frayeur indiquant qu'elles se souvenaient de cette expérience traumatisante. En revanche, les autres, auxquelles on avait administré de l'anisomycine, empêchant la consolidation de la mémoire, étaient de toute évidence sans souvenir et sont restées sans réaction. Par la suite, les chercheurs ont réactivé le processus de consolidation des synapses par des impulsions lumineuses chez ces souris amnésiques, lesquelles ont alors recouvré totalement la mémoire de la décharge électrique. Et même placées dans une autre cage, elles étaient paralysées de peur.

Cette recherche a permis de dissocier les mécanismes de stockage de la mémoire de ceux permettant de la former et de la récupérer. Cela montre que dans certaines formes d'amnésie la mémoire du passé n'a peut-être pas été effacée, mais est simplement "inaccessible". Ces travaux fournissent un éclairage surprenant sur la nature de la mémoire et vont stimuler de futures recherches sur la biologie de la mémoire et de sa restauration clinique.

Une expérience qui apporte un nouvel éclairage sur le mécanisme biologique de l'amnésie et ouvre potentiellement la voie à des traitements. Cette recherche fait avancer la compréhension sur la nature de l'amnésie.


Le calcium révèle les connexions entre les neurones


Des chercheurs de l'University College of London (UCL) ont mis au point une étude publiée dans Nature Methods en décembre 2016, sur le stockage et la manipulation de l'activité cérébrale qui détermine quels neurones contribuent à une fonction particulière.

Leur expérience, combinant l’optogénétique avec une autre méthode de pointe neurotechnologique : le calcium imaging, qui détecte l'activation neuronale en augmentant la concentration de calcium lorsque l'influx nerveux commence. L'équipe a utilisé un modulateur spatial qui divise la lumière en un hologramme composé de petits faisceaux, par exemple, pour activer simultanément six neurones impliqués dans la formation d'un visage souriant.


Applications cliniques de l’optogénétique

Outil de laboratoire pour étudier les circuits cérébraux, son application s’est aujourd’hui étendue à nombre de domaines.

Bien que l’optogénétique soit fondamentalement utilisée sur des souris, on peut faire un transfert à un niveau de basique : les souris ont beaucoup des structures cérébrales semblable aux humaines, bien que chez l’homme le cerveau soit agrandi et soit plus complexe.


Les expériences optogénétiques se sont multipliées à l’aide de protéines microbiennes pour contrôler les mouvements des petits organismes tels que les mouches des fruits ou des nématodes. Le degré d’amélioration a été insolite depuis lors. En bref, l’optogénétique peut être utilisé contre la cécité, pour essayer de récupérer une partie de la perte de la vision due à des lésions de la rétine. Son application pourrait également se substituer à des stimulateurs cérébraux pour la maladie de Parkinson, perfectionner de nouvelles prothèses à une perte auditive, révéler, avec plus de précision, le mécanisme responsable de sommeil paradoxal et atténuer la dépendance à la cocaïne.

L’optogénétique ouvre une formidable fenêtre sur les circuits de neurones qui gouvernent des fonctions-clés. Elle permet de comprendre les relations entre les émotions primaires et leurs sub­strats anatomiques et cellulaires. Les émotions positives et négatives apparaissent gérées et stockées dans des circuits très chevauchants.

L’optogénétique est utilisée dans le domaine de la robotique. Des chercheurs de l’université Harvard ont mis au point en juillet 2015 un raybot, mi-robot mi-organisme vivant, dont la trajectoire et la mise en mouvement sont contrôlées par l’optogénétique. Constitué d’un corps en élastomère, d’un squelette en or capable de stocker l’énergie élastique, l’organisme est recouvert de cellules vivantes de cœur de rats génétiquement modifiées pour être photosensibles. Exposés à la lumière, les cardiomyocytes se contractent et les nageoires s’actionnent. Chaque nageoire est réglée par rapport à un modèle lumineux spécifique, ce qui permet au robot de tourner. Cette nouvelle technologie laisse présager plusieurs retombées positives, notamment dans l’ingénierie des tissus. Apprendre à structurer et contrôler les cellules du cœur pourrait amener à la création de cœurs artificiels pour la transplantation.

Il serait possible de rendre des neurones humains photosensibles notamment en utilisant un vecteur viral inoffensif conçu pour leur transmettre temporairement les opsines.

Les premiers essais cliniques ont été lancés


L’optogénétique pour les thérapies humaines est dans les premiers stades de son développement. Depuis la publication de premiers travaux sur l’optogénétique au milieu de la dernière décennie, certains chercheurs ont émis l’hypothèse de l’aide de l’optogénétique chez les patients, en imaginant par exemple la possibilité d’un interrupteur pour contrôler la dépression.

Actuellement l’optogénétique n’est pas suffisamment développée pour être utilisée dans le cerveau des gens, car la technique nécessite l’insertion d’un câble à fibre optique pour apporter la lumière dans le cerveau, une méthode qui avant d’être appliquée à l’être humain doit garantir sa sécurité.

Cellules du cœur
contrôlées par la lumière
La technique impliquerait de soumettre les patients à des procédures médicales très envahissantes, telles que l’ingénierie génétique pour insérer les commutateurs moléculaires dans les neurones et visser une fibre optique dans le cerveau pour activer ces commutateurs.

Maintenant, les essais cliniques pourraient être possibles pour la première fois en raison des progrès technologiques significatifs. L'implant électroluminescent peut être remplacé par un patch, ce qui élimine le besoin de chirurgie invasive. Et bien que les virus aient facilité la manipulation génétique chez les humains, ce n'est pas encore parfait. Bientôt, de nouveaux outils de modification génétique comme CRISPR (des familles de séquences répétées dans l'ADN) pourraient constituer la solution la plus convenable à ce jour, mais seulement si les fonctionnaires relâchent les réglementations entourant l'utilisation du CRISPR sur les humains.

En novembre 2015, Circuit Therapeutics a annoncé qu'il avait reçu un contrat de DARPA pour utiliser l'optogénétique pour traiter la douleur chronique. Les traitements pour cette condition seront probablement les premiers à être testés dans les essais cliniques. Si les expériences vont bien, le traitement pourrait être disponible dans une décennie, ouvrant la porte à l'optogénèse pour être utilisée dans des traitements cliniques pour un certain nombre d'autres conditions.

Le but est, explique le biochimiste et médecin Karl Diesseroth, commencer les autres essais pour certaines formes de douleur superficielle causée par le système périphérique, tels que la douleur causée par le diabète ou des douleurs post chirurgicales, ou des douleurs causées par des troubles intestinaux ou du mouvement.

On peut commencer des essais cliniques avec l’optogénétique pour traiter la douleur chronique, car la thérapie serait moins invasive que celles nécessitant l’implantation d’électrodes dans le cerveau. Les neurones touchés par une douleur chronique sont relativement accessibles, car ils résident au sein et à l’extérieur de la moelle épinière et sont plus faciles à manipuler que le cerveau. On peut même agir sur les terminaisons nerveuses de la peau, qui sont encore plus faciles à atteindre.

Le principal défi de thérapies optogénétiques est comment insérer des gènes qui produisent les canaux d’opsine dans les neurones humains adultes.

Le deuxième obstacle est  comment éclairer les neurones qui transportent les canaux opsine, d’une manière à allumer ou éteindre le circuit cérébral désiré. Apporter la lumière directement au cerveau chez l’être humain nécessiterait une intervention chirurgicale majeure, mais traiter les neurones périphériques qui transmettent la douleur serait beaucoup moins invasif. Bien que les neurones à l’extérieur du cerveau, soient plus accessibles, ils sont également difficiles à activer avec la lumière, car un dispositif émetteur rigide pourrait endommager le délicat tissu nerveux.

Première thérapie optogénétique pour traiter la cécité


Des neurochirurgiens du centre RetroSense Therapeutics au Michigan, utilisent pour la première fois chez l’homme, en février 2016, une nouvelle technique optogénétique pour traiter la maladie génétique de l’œil  la rétinite pigmentaire  entraînant la mort des cellules de l’œil.

Pour l’essai clinique 15 patients atteints de rétinite pigmentaire ont été recrutés. Dans cette maladie, les cellules sensibles à la lumière de la rétine meurent progressivement.

La thérapie va permettre de créer certaines cellules nerveuses dans l’œil. Ces cellules, appelées ganglions, sont sensibles à la lumière. L’œil reçoit des injections de virus qui transportent de l’ADN sensible à la lumière qui provient d’algues. Si le processus fonctionne, alors les cellules vont faire exactement la même chose que des cones et des bâtonnets d’une rétine en bonne santé, à savoir, déclencher un signal électrique réagissant à la lumière ce qui permet de restaurer une partie de la vue.

Mais la vision, basée sur des ganglions sensibles à la lumière, est différente d’une rétine saine. À l’extérieur, la lumière pourrait être 10.000 fois plus brillante qu’à l’intérieur. Des rétines saines s’adaptent automatiquement, mais les cellules issues de la thérapie génique ne sont pas capables de le faire. Pour cette raison, la thérapie devra s’accompagner d’une sorte de lunettes à vidéo projection qui vont ajuster cette différence de luminosité.


Prix de la Fondation BBVA Frontiers of Knowledge : aux promoteurs de l’optogénétique


Le prix de La Fondation BBVA Frontières de la connaissance en Biomédecine a été attribuée pour sa huitième édition aux neuroscientifiques Edward Boyden, Karl Deisseroth et Gero Miesenböck, qui ont développé et perfectionné la technique qui utilise la lumière pour activer ou désactiver les protéines dans les neurones et ainsi contrôler son fonctionnement avec une précision sans précédent.

Edward Boyden-Karl Deisseroth et Gero Miesenbök
Les lauréats ont mis en évidence comment la meilleure compréhension des circuits neuronaux impliqués dans la maladie permettra développer des médicaments beaucoup plus spécifiques que les actuels  des composés agissant directement et spécifiquement sur ces circuits , puisque le degré de précision dans le traitement des maladies mentales ou neurologiques est très supérieur à celui d’aujourd'hui.

Depuis le développement de cette technique des milliers de chercheurs ont commencé à utiliser l’optogénétique pour la recherche sur des fonctions comme le sommeil, l'appétit, la prise de décision, la perception du temps ou la formation de souvenirs et de comprendre les mécanismes des maladies telles que l'épilepsie, la maladie de Parkinson, la dépression et même certaines formes de cécité.

Il a été aussi reconnu aux trois primés leur capacité à faire connaître et déployer cette technique pou que les scientifiques du monde entier puisent y accéder et l’utiliser dans leurs recherches.

Ils ont publié leurs travaux en 2005. Depuis, la technologie a continué de se perfectionner, par exemple avec des protéines qui réagissent à des rythmes différents et à différents types de lumière, ce qui élargit l'éventail des fonctions cérébrales qui peuvent être étudiés.

En 2013, le prestigieux Brain Prize a été attribué aux six inventeurs de l’optogénétique, Ernst Bamberg, Edward Boyden, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, Gero Miesenböck et Georg Nagel, pour l’invention et le développement de l’optogénétique.


*   *
*

Le cerveau humain est notre organe le plus complexe : 100 milliards de neurones, formant entre eux un milliard de connexions, le tout se concentrant dans un volume moyen de 1.400 cm3. Trouver un mécanisme par lequel nous pouvons accéder et “contrôler” son fonctionnement ouvre des possibilités infinies, non seulement pour le traitement des maladies, mais aussi pour des champs infinis liés à notre mémoire individuelle et collective, notre psyché en général.

Les appareils d'imagerie ne permettent pas de descendre en deçà d'un certain niveau de détails. Spatialement, leur résolution est de l'ordre du millimètre cube, volume suffisamment grand pour que s'y agglutinent des dizaines de milliers de cellules nerveuses de tous types. Il n'en va pas de même avec l'optogénétique. Celle-ci a pour grand avantage de permettre aux neuroscientifiques de ne marquer que certains neurones et pas les autres, ce ciblage se faisant grâce à ce que les généticiens appellent un promoteur.


Bien qu'elle n'ait émergé qu'au milieu des années 2000, l'optogénétique a déjà profondément renouvelé le paysage des neurosciences. Mouches à vinaigre, souris et poissons-zèbres ont été désignés volontaires, avec des résultats étonnants.

C’est une technique qui reste pour l’instant très invasive. En effet, son application nécessite des approches de thérapie génique qui consistent à modifier des neurones en injectant un virus codant pour la channelrhodopsine dans l’aire cérébrale ciblée.

Par ailleurs, cette technique nécessite l’implantation d’une fibre optique dans le cerveau pour illuminer et activer les neurones modifiés dans l’aire cérébrale ciblée, ce qui reste à ce jour difficile, notamment pour les aires cérébrales profondes.

Outre les perspectives de retombées positives dans le traitement de maladies neurologiques et de création d’organes artificiels, l’optogénétique, comme les autres modificateurs neuronaux, ouvre tout une série de questions éthiques liées au contrôle et à la modification de la mémoire, des souvenirs.

Le potentiel de cette technique est tel que permet non seulement de comprendre la personnalité et les émotions, mais aussi de trouver l’origine de l’agressivité et à promouvoir des traitements spécifiques pour différentes maladies mentales.


dimanche 30 juillet 2017

Substance Blanche et Substance Grise du Cerveau





Le cerveau est composé de deux types de matières: la substance blanche et la substance grise. Dans le système nerveux central, la matière grise correspond à une accumulation de corps cellulaires des neurones. La matière blanche, quand à elle, est formée par des faisceaux d'axones. Le type de matière constituant le cerveau joue un rôle très important dans son fonctionnement.

Le tissu nerveux est constitué de cellules nerveuses, les neurones, qui sont entourées par un tissu de soutien. Ce tissu de soutien est composé de différentes cellules (astrocytes, oligodendrocytes) que l'on regroupe sous le nom de cellules gliales.

Les neurones sont formés d'un corps cellulaire et de multiples prolongements. Le prolongement principal est appelé axone et sert à la conduction de l'influx nerveux.


La substance blanche

La substance blanche est un tissu de couleur blanchâtre qui fait partie du système nerveux central. Située dans le cerveau et la moelle épinière, elle est constituée d'axones  les prolongements des neurones qui transportent les signaux électriques jusqu'aux zones synaptiques  et de la névroglie  tissu qui soutient les cellules nerveuses .


Ce sont des millions de câbles de communication, chacun contenant un long fil unique, ou axone, entouré d'une substance grasse blanche, nommée myéline. À l'instar des lignes qui connectent les téléphones de différentes villes, ces câbles blancs relient les neurones d'une région du cerveau à une autre.

Caractéristiques


La substance blanche est principalement caractérisée par une région du cerveau qui ne contient pas de noyaux de neurones.

La substance blanche est une partie blanchâtre de tissu du système nerveux central. Elle est située principalement dans la moelle épinière et est formée par des prolongements des neurones qui transportent les signaux électriques vers les régions synaptiques et par les cellules gliales.

La substance blanche forme la partie interne du cerveau et constitue plus de la moitié des deux hémisphères du cerveau. Le cerveau est essentiellement composé de toutes les fibres nerveuses de câblage recouvertes d'une substance blanche, appelée myéline. Comme l'enchevêtrement de lignes téléphoniques d'une ville, ces câbles relient les neurones dans une région du cerveau à l'autre, ce qui est essentiel pour que le cerveau fonctionne dans son ensemble.

Le rôle de la matière blanche est d'assurer une bonne circulation de l'information dans le système nerveux et connecter les différentes régions du cerveau. Pour cette raison, la substance blanche est caractérisée en ce qu'elle contient des quantités élevées de myéline.

La myéline


La myéline est une membrane grasse essentielle qui isole chaque nerf du cerveau et de la moelle épinière comme une gaine plastifiée entoure un fil électrique.

Pendant des décennies, les neuroscientifiques se sont peu intéressés à la substance blanche. Ils considéraient la myéline comme un simple isolant et les axones comme de banales voies de passage passives. Les théories de l'apprentissage, de la mémoire et des troubles psychiques reposaient sur des mécanismes moléculaires ayant lieu dans les corps cellulaires des neurones et dans les synapses  les points de contact entre neurones.

La myéline donne sa couleur à la substance blanche qui enrobe les axones. Pendant plus d'un siècle, les neuroscientifiques ont observé les neurones au microscope et ont vu de longues fibres, les axones, reliant les corps cellulaires entre eux. Chaque axone est entouré d'un gel cristallin épais. Les anatomistes ont supposé que cet enrobage de substance grasse permettait d'isoler les axones, comme l'isolant d'un fil électrique. Cependant, nombre d'axones, notamment les plus petits, n'avaient pas de myéline. Et même au long des fibres myélinisées, l'isolation présentait des trous presque tous les millimètres. Ces endroits dépourvus de myéline sont des nœuds de Ranvier, du nom de l'anatomiste français Louis-Antoine Ranvier qui fut le premier à les décrire.

Les neurones communiquent entre eux en envoyant des signaux électriques  se déplacent environ 100 fois plus vite le long des axones quand ces derniers sont enveloppés de myéline. Elle est produite sous forme de feuillets par deux types de cellules gliales  des cellules du système nerveux qui ne sont pas des neurones . Une cellule gliale en forme de pieuvre, nommée oligodendrocyte, enveloppe les neurones du cerveau. Les signaux électriques, incapables de traverser la gaine, sautent rapidement le long de l'axone d'un nœud à l'autre. Dans les nerfs périphériques et la moelle épinière, c'est une cellule gliale en forme de saucisse, nommée cellule de Schwann, qui produit la myéline.

Sans myéline, des fuites électriques ont lieu le long de l'axone et le signal se dissipe. Pour que la vitesse de conduction soit maximale, l'épaisseur de l'isolant doit être proportionnelle au diamètre de l'axone. On ignore comment les oligodendrocytes “savent” s'il faut 10 ou 100 couches d'isolant pour créer l'épaisseur appropriée sur des axones de diamètres différents.

Myélinisation dans le cerveau de l’adolescent


Le procédé de revêtement des axones de myéline est produit à différents âges. À la naissance la myéline n’est observée que dans un petit nombre de régions du cerveau et depuis lors, le processus commence à se propager pour atteindre son maximum entre 25 et 30 ans.

Une des régions à se myéliniser le plus à cette période est le corps calleux qui relie les deux hémisphères du cerveau. Cette région du cerveau est impliquée dans la créativité et la réflexion de haut niveau. De plus, cette myélinisation se fait progressivement de l’arrière du cerveau vers l’avant. Les premières régions concernées sont les aires limbiques sièges des émotions générées par les perceptions du monde extérieur. Les dernières régions concernées sont les aires frontales qui sont celles de la réflexion abstraite et de la mise à distance du monde réel.

Le cerveau des adolescents est connecté uniquement avec des connexions locales, contrairement au cerveau adulte qui est connecté avec des régions éloignées et mieux distribuées. Le cerveau des adolescents n'a pas atteint sa maturité et ses réponses sont différentes de celles des adultes, en particulier en ce qui concerne le lobe frontal. Le développement du cerveau est atteint avec l'épaisseur totale et le revêtement des axones, ce qui est propre du cerveau adulte. Lorsque les axones atteignent leur myélinisation finale, les anomalies comportementales seront plus limitées.

La myélinisation du cerveau des adolescents correspond à une amélioration des capacités cognitives, notamment de la mémoire et des aptitudes de lecture. La myélinisation permet aussi, vu que le centre du langage est réparti dans deux hémisphères, de communiquer plus rapidement. Les mouvements corporels coordonnés par le cerveau deviennent plus rapides.

L’augmentation de la substance blanche renforce l’efficacité du lobe préfrontal, la partie inférieure du lobe frontal, là ou se situe le siège des capacités intellectuelles et émotionnelles, telles que la mémoire, la faculté de décision et le contrôle du comportement. Sa maturation confère aussi notamment les capacités de pensée abstraite, tels que la déduction, la généralisation ou le maniement de nouveaux concepts.

C’est au moment de l’adolescence que va se constituer et se structurer le stock de neurones et synapses pour toute une vie. Ce stock n’est pas figé, la plasticité neuronale montre qu’à l’intérieur de ce stock des réaménagements sont toujours possibles et parfois de façon massive.

Il en résulte de nouvelles possibilités intellectuelles et de nouveaux pôles d’intérêt pour les adolescents qui découvrent souvent d’autres domaines et c’est là qu’ils commencent à se former leur propre opinion.

Structure de la substance blanche


La partie de la substance blanche du cerveau représente environ 60 pour cent du volume total du cerveau.

La substance blanche cérébrale est principalement composée d'axones myélinisés regroupés en faisceaux. La substance blanche est formée de fibres. La cellule et la fibre ne sont que les deux parties d’un même élément essentiel du système nerveux : le neurone.

Les fibres nerveuses de projection envoient l’information traitée par la matière grise aux différentes régions du corps hors du cerveau. Un second type de fibres de matière blanche sont des fibres d'association qui relient les différentes régions du cerveau du même hémisphère. Le troisième et dernier type correspond aux commissures de liaison inter-hémisphériques qui connectent les structures de deux hémisphères.

Au sein du cerveau il y a une grande quantité des structures constituées principalement par la matière blanche. L'une des plus visibles et remarquables est le corps calleux, l'une des commissures inter-hémisphériques qui relie les deux hémisphères cérébraux et transmet des informations entre eux.

Il est connu que la structure de la substance blanche peut se modifier sous l’effet de l’exercice, par exemple par la lecture ou divers entraînements cérébraux. C’est ce qu’on appelle la plasticité cérébrale.

Fonctions de la substance blanche


Sa fonction est de permettre la communication entre les différentes aires du cortex cérébral ou entre le cortex et le reste du système nerveux central.

En outre, elle contrôle les fonctions dont le corps n’est pas au courant, comme la température, la pression artérielle et la fréquence cardiaque. Elle est responsable de la libération des hormones et gère le contrôle de la faim et la soif, et les émotions.

Pendant longtemps les chercheurs ont très peu considéré la substance blanche cérébrale et ont estimé que son rôle était uniquement passif, et que la myéline qui lui donnait sa couleur, était une protéine qui enveloppe les câbles de connexion des neurones, agissant comme un isolant, ce qui est vrai. Selon eux, le processus d'apprentissage, de la mémoire et de toutes les fonctions du cerveau, correspondait à des actions moléculaires produites seulement dans les neurones, ce qui est également vrai.

On peut déterminer que la substance blanche est responsable de la coordination de la communication entre les différents systèmes de l'organisme humain. Ceci implique les deux régions à l'intérieur et à l'extérieur du cerveau. C’est pour cette raison que dans la substance blanche prédominent les axones des neurones, car c’est la partie capable de transmettre les informations à un autre neurone.

La substance blanche agit comme un pont de communication entre les différentes régions du cerveau contenant les cellules des neurones. Ces zones du cerveau sont, en substance, les routes neurales, les zones de communication et de transmission de l'information entre les régions du cerveau.


Il a été récemment découvert que la substance blanche a plus de fonctions qu'on ne le pensait tout d'abord, comme la construction de réseaux de neurones rapides qui aident dans le processus de la mémoire, l'apprentissage et dans l'ensemble de nos ressources cognitives pour le développement de l'intelligence.

C’est ainsi comment de nouvelles expériences ont montré que la matière blanche est modifiée par rapport à des facteurs environnementaux et varie chez les individus dans la mesure où ceux-ci acquièrent des expériences différentes ou développent certaines compétences, comme par exemple apprendre à jouer du piano. Autrement dit, la substance blanche subit des changements lorsque la matière grise développe de nouvelles activités, qu'elles soient mentales ou sociales.

La substance blanche est étroitement liée aux processus cognitifs et émotionnels, et aujourd'hui  il est reconnu que c’est un élément important dans l’exercice de ces actions.

En fait les réseaux de neurones générés par la substance blanche semblent étroitement liés aux activités de mémoire et d'apprentissage. En outre, ils participent dans la gestion des ressources cognitives et des fonctions exécutives.

Aujourd'hui, on reconnaît que la substance blanche est un élément très important du cerveau qui affecte en grande mesure le développement et l'utilisation des capacités intellectuelles des personnes.

Troubles de la substance blanche


Ces derniers temps, de nombreux neuroscientifiques ont trouvé des preuves circonstancielles qui suggèrent que non seulement la matière grise est à blâmer pour certaines maladies mentales, mais la substance blanche est aussi impliquée dans ces anomalies. Il y a de nombreux troubles de caractère neurologique causés par des dommages dans les structures cérébrales. On pense que les anomalies de la matière blanche, dues à des défauts de myélinisation, affectent les connexions inter-neurones.

Dyslexie


Les patients qui souffrent de dyslexie ont des réductions dans le volume de la matière blanche. La dyslexie est due en fin de compte à une altération de la transmission, en modifiant les temps dans le système des circuits connectés nécessaires pour lire correctement. Ainsi des scans du cerveau d'imagerie cérébrale ont révélé une diminution du volume de la substance blanche précisément dans ces voies. Il existe des preuves solides du syndrome de dysfonctionnement des aires corticales correspondant à la lecture et l'orthographe.

Déficit d'attention


Un plus petit volume de matière blanche frontale droite est corrélée avec la variation de l'attention soutenue des enfants avec un trouble déficitaire d'attention.

Les troubles cognitifs de la vitesse de traitement de l'information


La fonction exécutive est un ensemble d'opérations cognitives soutenues par l'activité des systèmes les plus complexes des lobes frontaux. Ces opérations sont responsables de la planification, la définition des objectifs, la classification, l'initiation, la mise en œuvre, le suivi, les changements souples et la confrontation de toutes les fonctions mentales.

La mémoire épisodique représente les événements ou faits ayant trait aux détails des situations de la vie. Ce sont des souvenirs des temps et des lieux où les événements se sont produits et qui servent à les organiser. Elle est généralement opposée à la mémoire sémantique. Cette dernière servirait à stocker la signification des mots et des relations de ces significations ; l'organisation et la récupération des informations est effectuée à partir de sa signification, alors que la mémoire épisodique n’est pas impliquée dans son organisation ni récupération.

La diminution de la vitesse de traitement signifie une plus grande inefficacité dans toutes les tâches dont les autres fonctions plus élevées font face, résultant d’un codage moins efficace des stimuli.

Étant donné que la vitesse de traitement est en grande partie due à la présence de la myéline et à la nécessité pour que les informations voyagent d’une manière efficace et efficiente pour coordonner nos actions, la présence de lésions dans la matière blanche peut provoquer des troubles tels que : fatigue, ralentissement psychomoteur, incoordination et faiblesse musculaire, troubles de la vision, troubles de la mémoire, déficits des fonctions exécutives et capacités intellectuelles. Ce sont quelques uns des symptômes les plus courants de dysfonctionnement de la substance blanche.

Schizophrénie

La schizophrénie est due à une connectivité anormale. Les antécédents sont de différents types. Ces dernières années, plus de 20 documents de recherche ont été publiés concluant que la matière blanche chez les schizophrènes apparaît anormale dans plusieurs régions du cerveau. Il y aurait moins d’oligodendrocytes. Il a également été démontré, en comparant les gènes par les puces électroniques, que ceux liés à la schizophrénie, sont les mêmes qui sont engagés à la formation de la myéline.

D’autres troubles


Enfin, grâce à la technique appliquée au TDAH, il a été constaté que les anomalies dans la substance blanche sont également associées à des troubles bipolaires, ainsi qu’aux troubles du langage, l'autisme, au déclin cognitif propre du vieillissement et à la maladie d'Alzheimer. Certains troubles qui affectent ou sont affectés par la substance blanche sont la sclérose en plaques, dans laquelle une inflammation de la substance blanche produit une démyélinisation des neurones.

Une autre pathologie affectant la substance blanche est le développement d'une leucoaraiose qui est une raréfaction de la substance blanche due à plusieurs conditions, dont l'atteinte de la barrière hémato-encéphalique.

Il est très possible que dans les années à venir, avec l’avancement de la connaissance, on continue à confirmer des dysfonctionnements traduits dans des maladies cérébrales dues à des altérations, tant de la matière grise que de la matière blanche.


La substance grise

La substance grise est un tissu du système nerveux central de couleur grisâtre. Elle est localisée dans l'encéphale et la moelle épinière. Il s'agit d'une structure complexe composée de cellules nerveuses et non nerveuses, de la névroglie (tissu interstitiel qui protège les cellules).

La matière grise apparaît gris-brun en raison de la présence de corps et capillaires de cellules neuronales, ainsi que du manque relatif de la myéline.

Dans le cerveau la matière grise est à la surface du cortex cérébral et du cervelet. On la trouve également dans les parties les plus profondes du cerveau, en particulier les noyaux gris centraux, le thalamus, l'hypothalamus, les noyaux sous-thalamiques, et d'autres.

La substance  ou matière grise  est le lieu des opérations mentales et du stockage des informations. Elle occupe environ 40% de l’ensemble du cerveau humain et consomme 94% de l’oxygène.

Fonctions de la matière grise


La matière grise contient la plupart des corps cellulaires du cerveau. Elle se trouve dans les régions du cerveau impliquées dans le contrôle musculaire et la perception sensorielle  telle que voir et entendre , la mémoire, les émotions, la parole, la prise de décision et l’autocontrôle.

La substance grise a pour rôle de recevoir les messages, d'examiner les informations et de préparer les réponses. Certaines maladies (comme la maladie d'Alzheimer) sont causées par des lésions de la substance grise du cortex.

La matière grise de la moelle épinière est divisée en trois colonnes :

* La colonne grise antérieure contient des neurones moteurs. Ces cellules sont responsables du mouvement des muscles.

* La colonne grise postérieure contient les points de synapses des neurones sensoriels. Ceux-ci reçoivent des informations sensorielles du corps, y compris le toucher, la proprioception et les vibrations. Ces informations sont envoyées à partir de récepteurs de la peau, des os et des articulations par les neurones sensoriels dont les corps cellulaires sont situés dans le ganglion de la racine dorsale. Ces informations sont ensuite transmises, dans les axones vers la moelle épinière, y compris la colonne dorsale-médial et le tractus spinothalamique.

* La colonne grise latérale est la troisième colonne de la moelle épinière.

La substance grise de la moelle épinière peut être divisée en différentes couches, appelées partitions Rexed.

C’est dans la matière grise où toutes les informations sont stockées, et dans laquelle résident la mémoire et l'intelligence. Elle se compose d'un tissu cellulaire dense de neurones, qui décident toute l’activité cérébrale.


Comparaison entre la matière blanche et la matière grise


* La matière grise est constituée des corps des cellules nerveuses, et la substance blanche est constituée de fibres.

* Contrairement à la matière blanche, les neurones de la matière grise n’ont pas des axones étendus.

* La matière grise occupe 40% du cerveau, tandis que la matière blanche occupe 60% du cerveau. La matière grise, cependant, consomment plus de puissance et consomme environ 94% de l'oxygène total au cerveau.

* La matière grise a une couleur grise en raison des noyaux gris des cellules. La myéline est responsable de l'aspect blanc de la substance blanche.

* Le traitement de l'information est effectué dans la matière grise, tandis que la matière blanche permet la communication entre les différentes zones de la matière grise et entre la matière grise et les autres parties du corps.

* La matière grise n’a pas de gaines de myéline, tandis que la matière blanche est myélinisée.

 *
*    *

Recherche


La substance blanche du cerveau fonctionne comme un échafaudage

Des chercheurs de l'Université de Caroline du Sud dans une étude publiée dans Frontiers in humain Neuroscience en février 2014, ont identifié comment fonctionnent les réseaux du cerveau et plus particulièrement le rôle de la matière blanche, qu'ils décrivent comme un “échafaudage” du cerveau humain, en agissant en tant qu’un réseau fondamental de communications et prenant en charge le fonctionnement du cerveau.

Les chercheurs ont étudié, en utilisant imagerie par résonance magnétique, à 110 personnes, et ont simulé les effets des dommages sur chaque voie de la matière blanche. Ainsi, ils ont constaté que les zones les plus importantes de la matière blanche et grise ne se chevauchent pas toujours. Ils ont observé que toutes les connexions du cerveau n’ont pas une égale importance.

Les travaux ont montré non seulement une première carte des lignes centrales de la substance blanche du cerveau, mais aussi les connexions qui peuvent être plus vulnérables aux dommages,  ce qui suggère que cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour la compréhension des lésions cérébrales et certaines maladies.

Les chercheurs concluent qu’à l’instar d’Internet  où si la connexion était supprimée il n’y aurait plus de courriels  il existe des voies de la substance blanche qui conduisent à des échecs de communication sur une grande échelle dans le cerveau lorsqu'il est endommagé.


L’alcoolisme cause des dommages à la matière blanche du cerveau

Selon une étude réalisée par des chercheurs à la Faculté de médecine de l'Université de Boston, publiée dans l'édition en ligne de la revue Alcoholism: Clinical & Experimental Research en décembre 2015, l'alcool endommage la matière blanche dans le cerveau et ce dommage peut être détecté avec des scanners cérébraux.

Trop en boire pourrait surtout causer des dommages à la matière blanche des zones frontales du cerveau, ce qui interfère avec le nécessaire contrôle des impulsions pour arrêter de boire.

Les chercheurs ont utilisé des scanners à résonance magnétique à haute résolution structurelle pour comparer les cerveaux de 20 personnes qui buvaient peu et de 31 alcooliques abstinents qui ont consommé pour une moyenne de 25 ans et qui étaient restés sobres pendant environ 5 ans. Les ex-alcooliques ont montré des réductions dans les voies de la substance blanche tout au long du cerveau comparativement à l'ensemble des personnes en bonne santé qui buvaient peu.

Cela signifie que les voies qui communiquent efficacement et effectivement les différentes parties du cerveau sont touchées par l'alcoolisme. Plus on boit,  plus important est le dommage causé aux structures cérébrales clés, telles que, notamment, le gyrus frontal inférieur. Cette partie du cerveau intervient  dans le contrôle inhibiteur et la prise de décision. Il semble que certaines zones du cerveau les plus touchées par l'alcool sont importantes pour l'auto-contrôle et le jugement, les mêmes éléments qui sont nécessaires pour s’en remettre de l'abus d'alcool. Plus l'abus d'alcool est fait pendant un long temps, plus il y a des probabilités pour que les dommages soient permanents.


L'insomnie pourrait être expliquée par une structure différente du cerveau

Une équipe de chercheurs de l’Hôpital provincial N°2 de Canton, dans une étude publiée dans la revue Radiology en avril 2016, a pu constater des anormalités dans la substance blanche du cerveau des patients insomniaques.

Ils ont analysé les cerveaux de 23 patients souffrant d'insomnie primaire (difficultés à s'endormir, fatigue quotidienne...) et ceux de 30 personnes sans problèmes de sommeil, grâce à une technique avancée d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Les participants ont également dû remplir un questionnaire sur la qualité de leur sommeil, la sévérité des insomnies, et de possibles anxiétés et/ou dépressions.

La substance blanche est constituée de longues fibres de cellules nerveuses qui relient une partie du cerveau à l'autre. Quand ces fibres sont altérées, la communication entre les régions du cerveau est perturbée.

Après analyse des résultats des IRM, les chercheurs se sont rendus compte que la substance blanche était altérée dans plusieurs régions de l'hémisphère droit du cerveau, dont le thalamus, qui régule la conscience, le sommeil, la vigilance.

Ces parties de la substance blanche détériorées sont principalement impliquées dans la régulation du sommeil, les fonctions cognitives et sensomotrices.

En parallèle, les chercheurs expliquent que des anomalies dans le thalamus et dans le corps calleux  le faisceau qui connecte les deux hémisphères du cerveau  sont associées à la durée de l'insomnie et à des risques de dépression. Ils ajoutent que ces anormalités pourraient être liées à un manque de myéline, couche protectrice des fibres nerveuses.

L’insomnie est un trouble du sommeil défini comme l’incapacité de rester endormi toute la nuit ou de concevoir le sommeil pour une période supérieure à 30 jours. Un trouble du sommeil qui, en plus de s’associer à une importante fatigue diurne et une irritabilité accrue, entraîne un risque accru de troubles cognitifs et des problèmes de santé mentale, comme la dépression et l’anxiété. Cependant, l’origine de l’insomnie primaire  insomnie per se   et non le manque de sommeil par une autre entité, le cas par exemple de la douleur, n'a pas toujours été identifié, entravant considérablement son traitement.


La migraine modifie structure du cerveau et produit des lésions dans la matière blanche

Selon une analyse de près de 20 études réalisée par des chercheurs de l'université de Copenhague, parue dans la revue américaine Neurology en août 2016, la migraine peut entraîner des modifications durables et permanentes des structures cérébrales, comme des lésions.

Traditionnellement la migraine est considérée comme un trouble bénin sans effet durable sur le cerveau, mais la méta-analyse conduit à penser que la migraine pourrait en fait altérer de façon permanente les structures du cerveau de multiples façons.


Les chercheurs ont constaté que la migraine accroît le risque de lésion cérébrale, d'anomalie de la matière blanche et d'altération du volume du cerveau comparativement à des personnes ne souffrant pas de céphalée. En outre, ce risque est même plus élevé chez les sujets souffrant de migraine avec aura.

Pour cette recherche, les auteurs ont analysé 19 études dont 13 cliniques où les participants ont notamment passé une IRM (imagerie par résonance magnétique) du cerveau. Ces études montrent une augmentation de 68% du risque de lésions de la matière blanche du cerveau chez les personnes souffrant de migraine avec aura, et de 34% chez celles avec une migraine sans aura par rapport aux sujets n'ayant pas de céphalée. Le risque d'anomalies du cerveau s'accroît de 44% chez les malades souffrant de migraine avec aura comparativement à ceux atteints de migraine sans aura.

Cette méta-analyse montre également que le changement dans le volume du cerveau est plus fréquent chez les personnes avec des migraines avec ou sans aura que celles ne souffrant pas de cette pathologie.


Le volume de matière blanche du cerveau prédit l’habilité motrice de l’autisme

Des chercheurs de l'Institut Kennedy Krieger à Baltimore dans une étude publiée dans Brain en 2007, ont constaté qu'il y a une association entre le volume de la matière blanche du cerveau et la déficience fonctionnelle chez les enfants atteints d'autisme.

Les chercheurs ont utilisé l'imagerie par résonance magnétique pour étudier 76 enfants âgés de 8 à 12 ans, avec des degrés variables d’autisme. Les résultats suggèrent qu'il peut y avoir une base biologique pour ce trouble. Pour examiner cette association un moteur standard a été utilisé pour ces enfants, le Physical and Neurologic Examination of Subtle Signs (PANESS). Une forte corrélation positive entre le score total obtenu avec PANESS et le volume de la matière blanche a été trouvée.

Cette découverte révèle que chez les enfants atteints d'autisme, il existe une augmentation dans le volume de la matière blanche dans les régions motrices du cerveau responsable de la capacité motrice réduite.

Cette relation entre le volume de la matière blanche et une altération fonctionnelle, ce qui semble être spécifique à l'autisme, peut être représentative d'un modèle global d'anomalies dans le cerveau des enfants autistes contribuant non seulement à un dysfonctionnement motrice, mais aussi au déficit de socialisation et de communication qui définit ce trouble.


Des changements communs se trouvent dans le cerveau des enfants atteints d'autisme, TDAH et trouble obsessionnelcompulsif

Une équipe de chercheurs du Centre de toxicomanie et de santé mentale (CAMH’s) et du Campbell Family Mental Health Research Institute (Toronto) dans une étude, publiée dans l’American Journal of Psychiatry en août 2016, a trouvé des similitudes dans les anomalies cérébrales chez les enfants atteints des troubles du spectre autiste (TSA), du trouble de déficit d'attention avec hyperactivité (TDAH) et du trouble obsessionnel-compulsif (TOC).

L'étude comprend des images de la matière blanche du cerveau chez 200 enfants atteints d'autisme, TDAH, TOC et sans diagnostique. Dans la première comparaison de l'architecture du cerveau pour ces conditions il a été constaté que toutes sont associées à des altérations de la structure du corps calleux. Le corps calleux  le premier à être développé  est un faisceau de fibres nerveuses qui relie les hémisphères droit et gauche du cerveau. Un système appelé diffusion tensor imaging (DTI) a été utilisé.

Plus l’enfant a de problèmes pour
effectuer les tâches quotidiennes,
plus atypique est la structure des
fibres nerveuses dans certaines
 zones du cerveau (rouge, jaune)
L'équipe de recherche a constaté que les enfants atteints d'autisme et de TDAH ont montré des déficiences plus graves dans la substance blanche du cerveau que ceux souffrant de TOC. Cette constatation peut refléter le fait que les deux, autisme et TDAH, ont tendance à avoir une apparition plus précoce que TOC, et à un moment donné les différents secteurs de la matière blanche ont un développement plus rapide.

L'autisme, TDAH et TOC ont des symptômes communs et sont liés par certains des mêmes gènes. Historiquement, cependant, ils ont été étudiés comme des troubles distincts. Ensemble, ces trois troubles du neuro-développement touchent environ 15 pour cent des enfants et des jeunes.

Cette constatation a de nombreuses implications pour notre compréhension de la nature de troubles liés au cerveau, en fournissant des preuves biologiques que la structure du cerveau fait référence à un éventail de symptômes comportementaux qui se rapportent à des conditions de développement, étant partagé entre ces conditions. Et cela indique aussi la possibilité que les traitements ciblant un éventail de comportements peuvent être pertinents pour les trois conditions.

Cette étude est liée à des études antérieures telles que celle de l'Université de Caroline du Nord en 2012, où la technique de la neuro-image a déjà été utilisé et à celle mise au point par des chercheurs de l'Université de Warwick.


La maltraitance de l’enfant produit lésions dans le cerveau

Des chercheurs du Children’s Hospital de Boston dans un essai clinique, publié dans l'édition en ligne des Archives of Pediatrics & Adolescent Medicine en janvier 2015, ont étudié l'intégrité de la matière blanche en trois groupes d'enfants qui ont participé au “Projet d'intervention précoce de Bucarest” (BEIP) depuis 2000 jusqu'aujourd’hui.

La négligence dans l'enfance est associée à des altérations de la substance blanche du cerveau selon une étude des enfants abandonnés en Roumanie qui ont connu un appauvrissement social, affectif, langagier et cognitif, tout en vivant dans des institutions, par rapport à ceux qui ont été placés dans des foyers d'accueil de haute qualité ou à ceux qui n’ont jamais été en institution.

Le développement du cerveau, basé sur l'étude, dépend largement de l'expérience. Les enfants élevés dans des institutions présentent souvent des problèmes dans le développement du cerveau et le fonctionnement comportemental associé.

A 2 ans, 136 enfants qui avaient passé plus de la moitié de leur vie dans les institutions ont été recrutés pour l'étude et au hasard deux situations leur ont été assignées : rester en institution ou aller à un foyer d'accueil. Au début de l'analyse, ce type de foyer était presque inexistant à Bucarest et l’attention en institution était le modèle standard pour les enfants abandonnés. L'équipe de base de BEIP, avec des chercheurs et des membres clés du personnel de l'étude originale, a réalisé les procédures de randomisation.

Des trajectoires de développement des enfants ayant été abandonnés précédemment ont été comparées avec des enfants qui ont grandi  dans des familles biologiques, et des évaluations ont été réalisées à 30 mois, 42 mois, 54 mois, 8 et 12 ans. Les données de 69 participants (8 à 11 ans) ont été sélectionnées pour l'analyse statistique des anomalies de la substance blanche (23 enfants étaient déplacés d'une institution à un foyer, 26 enfants internés dans des institutions et 20 enfants qui n’avaient jamais été placés dans des institutions).

Les résultats montrent des associations significatives entre la négligence au début de vie et la microstructure du corps calleux, des extensions impliquées dans le circuit limbique, le traitement sensoriel et l' intégrité des autres zones. Le suivi des analyses suggère que l'intervention précoce en famille d'accueil a davantage favorisé le développement de la matière blanche normale chez les enfants auparavant négligés.



La pollution atmosphérique nuit substance blanche cérébrale à long terme

Une étude menée par des chercheurs de l'École de médecine Keck de l'Université de Californie du Sud, publiée dans la revue Annals of Neurology en janvier 2015, montre que probablement la pollution de l'air a également un impact négatif sur la façon dont la substance blanche cérébrale vieillit.

La recherche montre que les femmes âgées qui vivaient dans des zones géographiques avec des niveaux élevés de particules fines dans l'air ambiant, avaient des volumes nettement plus faibles de matière blanche dans un large éventail de régions du cerveau.

Le matériau en particules fines est inférieur à 2,5 microns et il est connu comme MP2,5, une forme de contamination entrant facilement dans les poumons et, éventuellement, dans la circulation sanguine.

L'étude fournit des preuves convaincantes que plusieurs parties du cerveau de personnes âgées, en particulier la matière blanche, sont une cible importante des effets de la neuro-toxicité induits par l’exposition à long terme aux particules fines dans l'air.

La recherche a révélé que les femmes âgées entre 71 et 89 ans vivant dans des lieux avec des expositions plus élevées à PM2,5 avaient des volumes nettement plus faibles de la matière blanche.

C’est la première étude à montrer les différences entre la matière blanche et grise en analysant les effets neurotoxiques de PM2,5 sur les volumes du cerveau chez les personnes âgées. La recherche de l’USC représente, à ce jour, l'étude la plus vaste de la neuro-imagerie réalisée dans une communauté de personnes âgées, afin d'examiner l'association entre l'exposition aux PM2,5 à long terme et les volumes de matière blanche et grise dans le cerveau.


La structure de la matière blanche dans le cerveau prédit la fonction cognitive à l’âge de 1 et 2 ans

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de la Faculté de médecine de l'Université de Caroline du Nord, publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences en décembre 2016, a conclu que les patrons de la microstructure de la matière blanche présente à la naissance et leur développement après la naissance prédisent la fonction cognitive des enfants âgés de 1 et 2 ans.

Cette étude est la première à mesurer et décrire le développement de la microstructure de la matière blanche chez les enfants et sa relation avec le développement cognitif à partir du moment où ils sont nés jusqu'à l'âge de 2 ans.

La matière blanche est critique pour la fonction cérébrale normale, mais on sait peu sur la façon dont elle se développe chez l'homme ou comment elle liée au développement des aptitudes cognitives dans la petite enfance, y compris le développement du langage.

Dans ce travail, des images par résonance magnétique (IRM) ont été prises avec tenseur de diffusion d'imagerie (DTI) des cerveaux de 685 enfants. DTI est une technique de résonance magnétique qui fournit une description de diffusion de l'eau à travers le tissu et peut être utilisé pour identifier les sections de la matière blanche du cerveau et décrire l'organisation et la maturation de ces sections.

DTI
Les auteurs de l'étude ont utilisé ces scanners du cerveau pour étudier la microstructure de 12 sections de fibre de la matière blanche importantes pour la fonction cognitive, sa relation avec le développement de la fonction cognitive et son héritabilité. Ils ont constaté que les 12 sections de fibres dans les nouveau-nés étaient étroitement liées entre elles.

À l'âge de 1 an, ces sections de fibres avaient commencé à se différencier les unes des autres, et à 2 ans, cette distinction était plus avancée. La conclusion la plus intéressante est que le lien commun entre les tronçons de matière blanche à la naissance a prédit le développement cognitif global à l'âge de 1 an et le développement de la langue à l'âge de 2, ce qui indique que c'est possible d'utiliser l'imagerie cérébrale à la naissance pour mieux comprendre comment le développement cognitif de l'enfant se poursuivra au cours des premières années après la naissance.

Étant donné que l'échantillon comprenait 429 jumeaux, les chercheurs de l'étude ont également pu calculer que ce trait prédictif était modérément héritable, ce qui suggère que la génétique peut être un facteur dans son développement.

Il y a une croissance rapide de la structure du cerveau, de la cognition et le comportement dans la petite enfance. En comprenant mieux ces relations, les chercheurs espèrent identifier très tôt les enfants à risque de problèmes cognitifs ou de troubles psychiatriques et d'apprendre à concevoir des interventions qui peuvent aider à développer le cerveau d'une manière qui améliore la fonction et réduise les risques.


L’exercice aérobic améliore les connexions cérébrales chez l’enfant

Selon une étude réalisée par une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois, publiée dans la revue Frontiers of Neuroscience, en août 2014, les enfants qui effectuent l'exercice aérobic ont des changements structurels dans la substance blanche du cerveau, ce qui permet une plus grande capacité et vitesse de communication et de liaison entre les différentes régions de cet organe, ce qui améliore de manière significative le développement des fonctions cognitives.

Étant donné que l'effet de l'entraînement aérobic était inconnu, pendant l'enfance, dans la structure des voies de la matière blanche, les auteurs ont décidé d'enquêter sur cette relation.

Pour atteindre leur objectif ils ont recruté 24 pré-adolescents entre 9 et 10 ans, dont 12 avaient de très bonnes compétences aérobies, tandis que d'autres participants avaient une très faible capacité aérobie. Ils ont choisi les enfants qui provenaient d'un statut social et économique similaire, un quotient intellectuel similaire et rejeté les candidats qui avaient des problèmes d'apprentissage importants tels que le trouble de déficit d'attention avec hyperactivité (TDAH), ainsi que ceux qui avaient un handicap physique, des troubles neurologiques ou consommaient des médicaments influençant les fonctions du système nerveux central.

Les chercheurs ont étudié des images par résonance magnétique de diffusion (diffusion IRM). Cette méthode analyse la diffusion de l'eau dans les tissus. Dans le cas de la matière blanche, une diffusion moindre de l'eau indique que le tissu est plus fibreux et compact, les deux caractéristiques souhaitables et positives, car elles assurent des connexions plus efficaces et plus rapides.

Les enfants ayant déclaré une haute performance aérobie ont présenté dans l'étude des images une meilleure structure dans les voies de la matière blanche (plus compacte et fibreuse) par rapport à ceux à faible capacité aérobie.

Ces résultats sont extrêmement importants, étant donné que les enfants et les adolescents sont de plus en plus sédentaires et l'exercice aérobie pratiqué est souvent insuffisant et de faible intensité.

Il y a eu une tendance de la part de certains éducateurs et parents pour réduire ou éliminer les activités physiques pendant la journée scolaire, afin de favoriser le temps destiné à des sujets académiques. Cependant, il a été démontré que cette mesure est contre productive.

Il a été constaté qu'un trajet de la matière blanche connue sous le nom corona radiata, qui relie le cortex cérébral avec le tronc cérébral  situé entre l'arrière du cerveau et la moelle épinière  est lié à la performance de mathématiques à l’école.

Par conséquent, l'élimination ou la réduction des possibilités d'exercice aérobic pendant la journée scolaire, selon les résultats de cette étude, pourrait avoir des effets néfastes sur la structure des trajets de la matière blanche, et donc affaiblir potentiellement le rendement scolaire.

Les résultats de cette étude confirment l'importance de l'exercice au cours du développement et sont une raison de plus pour que parents et enseignants encouragent l'activité physique prévue à l'intérieur et à l'extérieur du milieu scolaire.


L’apprentissage d’une langue augmente la matière blanche du cerveau

Selon la recherche réalisée par l’University of Kent School of Psychology, publiée dans la revue PNAS en janvier 2015, l'apprentissage d'une deuxième langue après l'âge de 10 ans, améliore la structure de la matière blanche du cerveau.

Les chercheurs ont mené des analyses du cerveau à 20 personnes de 30 ans qui avaient appris l'anglais comme une seconde langue après l'âge de 10 ans et 25 personnes qui ne connaissaient que l'anglais.

Les images indiquent que ceux qui ont appris la deuxième langue avaient une meilleure structure de la matière blanche. Cette amélioration se produit dans les zones responsables de l'apprentissage des langues et le traitement sémantique.

L'étude a également noté qu'apprendre à parler une autre langue à tout moment de notre vie aide à garder le cerveau actif et le protège contre la détérioration.