samedi 9 avril 2016

MA MOITIE INHIBE L'AUTRE

Première "Une" du magasine Science, un des journaux
scientifiques les plus prestigieux.

La recherche s’est métamorphosée en l’espace de 100 ans. Cela saute aux yeux lorsque l'on a l’occasion de se plonger dans de vieux articles, publiés au début du 20ème siècle.

Il n’y avait alors pas la même rigueur scientifique et statistique, codifiée, que nous connaissons aujourd’hui.

Les neuroscientifiques du début du 20ème siècle exploraient la jungle, les scientifiques d’aujourd’hui y construisent des buildings (qui n’ont pas toujours la même saveur que les études pionnières des explorateurs).

C’est une impression que l’on retrouve tout à fait lors de la lecture d’un article de 1911, rédigé par Knight Dunlap et publié dans la revue Science.

Cette étude explore les bases de ce qui deviendra la TMS, la stimulation magnétique transcranienne.

Depuis quelques siècles, certains scientifiques se prennent de passion à stimuler certains muscles chez l’animal (et chez l’Homme) avec des courants électriques. Galvani et Volta, au 18ème siècle, furent des pionniers en la matière et leurs travaux permirent de découvrir que les influx nerveux étaient bien d’authentiques courants électriques.


Galvani observait une contraction musculaire des cuisses de grenouilles
qu'il stimulait avec un courant électrique.

Dans la continuité de ces découvertes, les scientifiques se sont demandé s’il était possible de faire de même avec le cerveau.

Non pas avec des courants électriques (bien que ce soit possible, sans que cela nous grille la cervelle), mais avec des champs magnétiques.

Pour cela, ils ont construit de grosses bobines de fils, dans lequel ils faisaient passer un courant électrique (Rappelez-vous que la boussole s’oriente perpendiculairement à un fil métallique parcouru d’un courant électrique : une démonstration toute simple de la création d’un champ magnétique par ledit circuit). 

Le courant magnétique que cela produit permet de stimuler les réseaux neuronaux du cerveau lorsque la bobine est placée contre le crâne : par induction magnétique, les variations du champ magnétique engendrent un courant électrique chez les neurones qui y sont soumis : un influx nerveux.

Grâce à son imposante bobine, Dunlap put stimuler magnétiquement le cerveau et observer quels effets cela produisait.



Modèles de bobines utilisés par Thompson (en haut) et
Magnusson (en bas) lors de leurs expérimentations, au début du
20ème siècle. Leurs travaux ont été, avec ceux de Dunlap, à
l'origine de la stimulation magnétique transcranienne ou TMS.

Il testa sa bobine sur ses collègues et lui-même (ah, le charme des explorateurs !), durant un bel après-midi ensoleillé (l'auteur s'est senti obligé de le préciser).

Malgré cet environnement lumineux, il put distinctement observer des phosphènes (des éclairs lumineux) lorsque l'on stimulait son cerveau. Certains de ses collègues ne les voyaient que s'ils étaient soumis à des champs magnétiques plus forts: il existe un effet seuil, propre à chacun, en dessous duquel on ne perçoit rien. Aujourd'hui encore, la calibration de l’appareil lors d’une expérience de TMS consiste (entre autre) à mesurer ce seuil.

Il était donc possible de stimuler directement le cerveau, grâce à des champs magnétiques ! (En réalité, il s’avéra que Dunlap et ses copains ne stimulaient pas leur cortex cérébral, mais directement leurs nerfs optiques.)

Il fallut 70 années supplémentaires pour que la TMS se perfectionne et soit utilisée pour la première fois en clinique.


Déroulement pratique d'une séance de TMS.
L'appareil se compose essentiellement de cette espèce de grosse
raquette de ping-pong que l'on applique contre le crâne du sujet :
c'est elle qui contient les bobines électriques qui permettent de
créer un champ magnétique. 

Aujourd’hui en France, la TMS est principalement utilisée dans la recherche et les applications cliniques restent rares (ce n’est pas le cas aux Etats-Unis par exemple où elle est beaucoup plus utilisée à des fins thérapeutiques).

La TMS peut être utilisée dans le traitement de la dépression ou des TOCs, par exemple. On peut aussi grâce à elle étudier des domaines aussi variés que la cognition sociale, la vue ou la conscience.

Elle permet aussi de s’intéresser au dialogue entre nos 2 hémisphères.

Nous l’avons vu dans l’article précédent, nos 2 hémisphères sont reliés par un épais faisceau d’axones : le corps calleux. Composé de plus de 300 millions de fibres, il permet aux régions homologues de chaque hémisphère de communiquer.  Lorsque ce corps calleux est lésé, les 2 moitiés cérébrales ne peuvent plus communiquer et on observe alors un syndrome de déconnexion.

Le corps calleux est en rouge sur cette image. Il permet de relier
nos 2 hémisphères cérébraux.

Mais le corps calleux ne sert pas uniquement à transmettre des informations d’un hémisphère à l’autre. Il a un rôle capital dans  la régulation du dialogue interhémisphérique.

Cela peut être mis en évidence par une expérience utilisant la TMS -2 appareils de TMS pour être plus précis, grâce auxquels on va stimuler le cortex moteur des 2 hémisphères.

Lorsque l'on stimule le cortex moteur avec la TMS, on va entraîner un mouvement musculaire du côté opposé : si on stimule l’hémisphère gauche, on observera un mouvement à droite et vice-versa. Pour objectiver ce mouvement, on va placer au niveau des muscles activés de petites électrodes qui vont pouvoir mesurer les contractions musculaires, dans le cadre d’un examen que l’on appelle EMG –pour ElectroMyoGramme.


Grâce à la TMS, nous pouvons stimuler le cortex moteur correspondant à
un muscle de la main. Pour avoir une mesure objective de la contraction engendrée,
nous posons un patch au niveau du muscle qui permet de mesurer cette contraction
(l'électromyogramme ou EMG).

Comme nous le disions dans un article précédent, le corps est représenté de manière somatotopique le long du cortex moteur : c’est l’homonculus de Penfield. En plus de représenter chaque partie du corps le long du cortex moteur, c’est chaque muscle qui possède sa région propre en son sein, avec un petit nombre de neurones qui lui sont dédiés.


L'homonculus de Penfield correspond à la représentation du corps de long de notre
cortex moteur (en rose) et sensitif (en orange). Chaque zone de cortex correspond à un muscle
précis, ou une région sensitive précise de notre corps.

La TMS est une technique suffisamment précise pour stimuler sélectivement une de ces régions. Il est donc possible de cibler un muscle tout particulier « sur le cortex ». Il est par exemple possible de stimuler sélectivement les neurones qui codent pour la contraction du 1er muscle interosseux dorsal de la main –nom barbare qui correspond au muscle qui participe à la saisie d’un objet entre son pouce et son index.

Lorsque l'on stimule cette région précise sur le cortex, on observe quelques centaines de millisecondes plus tard une contraction du muscle interosseux controlatéral, et donc un pic sur l’EMG.

Si on stimule les cortex moteurs des 2 hémisphères en même temps (grâce à 2 appareils de TMS), on observera une contraction musculaire des 2 côtés, aussi bien au niveau de la main droite que de la gauche.


Lors de notre expérience, nous utiliserons 2 appareils de TMS
pour stimuler les mêmes régions motrices des 2 hémisphères.

Plusieurs équipes de scientifiques ces dernières décennies ont cherché à savoir ce qu’il se passait lorsque les 2 cortex moteurs étaient stimulés non pas simultanément, mais avec un léger décalage.

Ils constatèrent que lorsque l’intervalle entre les 2 stimulations était de 10 millisecondes (ms), le signal recueilli sur l’EMG était beaucoup plus faible. La contraction musculaire était beaucoup plus faible.

Ainsi, lorsque l'on stimule le cortex moteur droit, on observe un signal EMG au niveau de la main gauche. Mais lorsque la stimulation du côté droit est précédée, 10ms plus tôt, d'une stimulation du cortex moteur gauche correspondant, le signal EMG est drastiquement diminué.


Pourquoi ?



Notre corps calleux ne permet pas seulement la communication d’informations entre nos 2 hémisphères cérébraux. Il permet aussi à un hémisphère d’inhiber l’autre, de manière transitoire.

Notre moitié inhibe l’autre.

C’est un mécanisme très important dans le fonctionnement de notre cerveau.

En ce qui concerne nos mains, il s’agit peut-être d’une des raisons de notre préférence manuelle –le fait d’être droitier ou gaucher.

De la même manière, lorsque nous avons besoin de parler, nous mettons en jeu notre hémisphère gauche, qui dit alors au droit : « T’inquiète, je m’en occupe, je sais faire ». Ou encore, lorsque nous devons reconnaitre un visage, l’hémisphère droit dit au gauche : « Tu ne pourrais même pas reconnaître ta propre mère, laisse tomber ! Moi, je suis expert là-dedans. »

Tout ça grâce à une inhibition de l’autre hémisphère.


D’où provient cette inhibition ?



Dans notre cerveau, nous n’avons pas seulement des mécanismes excitateurs –des neurones, fonctionnant avec une molécule appelée glutamate, qui servent à transmettre des informations. Nous avons aussi des neurones qui fonctionnent avec une autre molécule, l’acide-γ-aminobutyrique (mais vous avez le droit de l’appeler GABA) : les interneurones.


Marquage des interneurones (en vert) dans un cortex de souris. Ce marquage
est obtenu grâce à une protéine fluorescente, la GFP.

Ces interneurones sont de puissants inhibiteurs. Leur rôle est fondamental : ce sont eux qui régulent les décharges des neurones excitateurs. Ce sont eux qui règlent le fonctionnement des réseaux neuronaux.

On retrouve des dysfonctionnements de ces interneurones dans la schizophrénie ou l’autisme par exemple. Dans ces pathologies, ce déficit de régulation pourrait expliquer certains mécanismes pathologiques.

On parle de balance excitation/inhibition : un contre-pouvoir à l’excitation neuronale est nécessaire au bon fonctionnement cérébral. Si cette balance est déséquilibrée (que ce soit par trop d’excitation, pas assez d’inhibition ou vice versa) notre cerveau fonctionne moins bien et apparaît la pathologie.



L’inhibition interhémisphérique est nécessaire au bon fonctionnement du cerveau et notamment à la spécialisation hémisphérique et la latéralisation des capacités cognitives –comme nous l’avons vu pour le langage ou la reconnaissance des visages. 

Les capacités cognitives ne sont pas réparties symétriquement entre les 2 hémisphères : cela permet de « libérer de la place » pour de nouvelles aptitudes.

L’inhibition mutuelle de nos hémisphères est peut-être ce qui nous a permis de développer nos capacités cognitives hors du commun.




SOURCES :
- Dunlap, K. (1911). Visual sensations from the alternating magnetic field.Science, 68-71.
- van der Knaap, L. J., & van der Ham, I. J. (2011). How does the corpus callosum mediate interhemispheric transfer? A review. Behavioural brain research, 223(1), 211-221.
- Daskalakis, Z. J., Christensen, B. K., Fitzgerald, P. B., Roshan, L., & Chen, R. (2002). The mechanisms of interhemispheric inhibition in the human motor cortex. The Journal of physiology, 543(1), 317-326.
- Schnitzler, A., Kessler, K. R., & Benecke, R. (1996). Transcallosally mediated inhibition of interneurons within human primary motor cortex. Experimental brain research, 112(3), 381-391.
- Bloom, J. S., & Hynd, G. W. (2005). The role of the corpus callosum in interhemispheric transfer of information: excitation or inhibition?.Neuropsychology review, 15(2), 59-71.

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