SUR LA ROUTE...

Nous parlions la semaine dernière (« D’où vient le langage ? Le 5 mars 2016) de la théorie de Gall, reprise par Broca puis par l’ensemble de la neurologie ensuite, qui stipule que les régions du cortex sont spécialisées dans une tâche donnée. Cette théorie, appelée localisationnisme, est une des fondations de la neurologie actuelle.

Ainsi, lorsqu’un patient fait un AVC, l’étude de ses capacités cognitives, motrices, sensorielles, sensitives, renseignent le clinicien qui peut –de manière très fiable- déterminer la région du cerveau qui est lésée.

En ce sens, la neurologie est une discipline qui est très « géographique » : l’observation des signes cliniques –la sémiologie- permet le plus souvent de déterminer précisément le site de la pathologie.

Nous pouvons aussi citer l’homonculus de Penfield, qui s’inscrit très fortement dans la théorie localisationniste. Il s’agit de la représentation de notre corps le long du cortex moteur et sensitif.

Homonculus de Penfield, projeté sur le cortex moteur.

Ainsi donc, nous avons élaboré au fil des recherches une cartographie très précise de notre cortex cérébral : du cortex visuel primaire, secondaire, jusqu’à l’aire de la forme visuelle des mots et même –affirment certains- celle de l’amour !

Mais ce n’est pas la seule théorie proposée pour expliquer le fonctionnement global du cerveau.

Car en face du localisationnisme se trouve l’associationnisme, soutenue par Wernicke ou Meynert par exemple. Cette théorie, plutôt que de mettre l’accent sur les spécialisations particulières du cortex cérébral, se focalise sur les relations qui existent entre ces régions.

Cette théorie n’est pas autant en contradiction qu’on pourrait le croire avec les idées de Gall et Broca. En effet, si les capacités cognitives sont régionalisées au sein du cortex, le dialogue entre elles semble indispensable à l’élaboration d’une activité adaptée.

Nous pouvons définir une région par sa fonction. Cela marche plutôt bien avec le cortex moteur, sensitif ou visuel… Mais ce n’est pas toujours le cas. Il apparaît aujourd’hui bien utopique de réduire une région corticale à une seule capacité. Prenons par exemple l’insula, une structure corticale située en profondeur de la face latérale du cerveau : il a été montré par un grand nombre d’études qu’elle était tout à la fois impliquée dans le sentiment de satiété, la stimulation génitale, l’exclusion sociale, la peur et la colère, l’anticipation ou encore l’attention portée à une tâche –et la liste n’est pas exhaustive. Autant nous pouvons parfaitement bien cartographier l’homonculus sur le cortex moteur, autant une cartographie apparaît impossible sur des régions telles que l’insula.

L'insula et (certaines) de ses fonctions.

Nous pouvons aussi définir et caractériser une région corticale par les connexions qu’elle établit à travers le cerveau.

Prenons l’exemple du striatum. Nous en parlions il y a quelques mois, dans l’article à propos de la stimulation cérébrale profonde. Il s’agit de structures situées sous notre cortex, et qui sont le lieu d’un mélange d’informations provenant de nos aires motrices, associatives ou émotionnelles. Établir une cartographie des ces petites structures, interconnectées avec l’ensemble du cortex, est difficile. Encore plus avec nos techniques d’imagerie –si on part du principe qu’on aimerait bien l’étudier chez des humains in vivo. En revanche, il apparaît beaucoup plus pertinent de caractériser ces structures grâce aux connexions qu’elles établissent avec le cortex cérébral.

Schéma du striatum (en rouge), une structure situé en profondeur du cortex.

Comment visualiser et étudier ces connexions ?

Pour établir la cartographie de notre cortex, les neurologues ont historiquement utilisé la stimulation directe du cortex cérébral : ce fut la méthode de Penfield, qui appliquait une petite électrode contre le cerveau de ses patients lors d’opérations de neurochirurgie. De nos jours, on utilise la TEP ou l’IRM fonctionnelle qui mesurent respectivement le métabolisme et le débit sanguin cérébral. Ces techniques permettent de détecter avec une grande précision spatiale les régions qui s’activent lors d’une tâche donnée.

En ce qui concerne l’étude des connexions cérébrales (les faisceaux de substance blanche, qui sont composés des axones des neurones), nous utilisons principalement une technique d’imagerie IRM appelée DTI –pour diffusion tensor imaging, imagerie par tenseur de diffusion en français.

Image des "tenseurs de diffusion", calculés grâce à la DTI : ces
tenseurs représentent la diffusion préférentielle des molécules d'eau dans
les tissus. En les analysant, on peut modéliser les faisceaux de substance blanche (en bleu)

Cette technique d’IRM nous permet de mesurer la diffusion de l’eau dans le cerveau (c'est-à-dire le mouvement des molécules d'eau). Au niveau du cortex, cette diffusion est isotrope, c’est-à-dire qu’elle se fait dans toutes les directions. En revanche, dans la substance blanche, la diffusion de l’eau est guidée par les axones des neurones du fait de leur composition lipidique : la diffusion se fait dans une direction préférentielle, que l’on est capable de mesurer. Grâce à un traitement informatique, les scientifiques sont ensuite capables de reconstruire les faisceaux de substance blanche qui traversent le cerveau (tractographie), et d’aboutir à des images absolument magnifiques.

En grand fan de la tractographie, je n'ai pas pu résister à l'envie de
vous en mettre plein d'images :p

C’est grâce à la DTI qu’un chercheur français, Stéphane Epelbaum, étudia les connections d’une région essentielle à la lecture : l’aire de la forme visuelle des mots. C’est cette région du cortex occipito-temporal, pièce angulaire du réseau cérébral de la lecture, qui est impliquée dans l’assemblage des lettres et la reconnaissance des mots. Une lésion à ce niveau-là entraîne ce que l’on appelle une alexie pure, c’est-à-dire une perte totale de la lecture. Sans reconnaissance des mots écris, impossible de les comprendre ou de les prononcer.

Cerveau vu de DESSOUS. L'aire de la forme visuelle des mots est indiquée
en jaune, au sein de l'hémisphère gauche (qui se trouve à droite sur la photo).

Epelbaum et ses collègues se sont concentré sur un patient tout particulier : âgé de 46 ans et épileptique depuis son enfance, il devait prochainement passer sur le billard pour qu’on lui enlève le foyer responsable de sa maladie.

Celui-ci était non pas placé dans l’aire de la forme visuelle des mots (AFVM), mais juste à côté. Son hospitalisation était donc une excellente occasion d’étudier cette région du cerveau !

Dans tout bilan préopératoire d’une intervention comme celle-ci, il est nécessaire de caractériser au mieux le foyer épileptique –la région du cortex à l’origine des crises, le réseau de neurones défectueux. Pour cela, on utilise des batteries de tests cliniques poussés, la TEP et l’IRM fonctionnelle. On implante aussi pendant quelques jours de très fines électrodes dans le cerveau du patient, qui sont capables d’enregistrer de manière très fine l’activité d’une dizaine de neurones.

On put donc constater que son AFVM fonctionnait parfaitement bien, tout comme l’ensemble du réseau impliqué dans la lecture. Ce monsieur n’avait d’ailleurs aucun problème pour lire. Son unique problème de santé provenait de son épilepsie, trop sévère pour être stabilisée par des antiépileptiques.

Grâce à la DTI, les chercheurs purent identifier chez ce patient les 2 grands faisceaux qui connectent l’AFVM : le faisceau arqué, qui la relie au gyrus supra-marginal, impliqué notamment dans la transformation d’une information visuelle à une information phonétique : en bref, le passage de la forme papier à la forme parlée des lettres et des mots ; et le faisceau longitudinal inférieur (FLI), qui provient des aires occipitales et qui apporte à l’AFVM les informations visuelles –les lettres que l’on regarde.

L’AFVM reçoit donc les informations sur lesquelles elle va travailler grâce au FLI, en provenance du cortex visuel. Elle assemble les lettres pour former des mots, qu’elle envoie ensuite, via le faisceau arqué, au gyrus supra-marginal pour qu’il détermine la prononciation du mot formé.

Le patient fut finalement opéré. L’intervention se passa bien, les chirurgiens lui enlevèrent le foyer épileptique qui le faisait souffrir depuis plus de 30 ans.

Sauf qu’à son réveil, il n’était plus capable de lire un seul mot. Alexie pure.

Les chercheurs étudièrent à nouveau son cerveau grâce à l’IRM fonctionnelle et la DTI. Juste après l’opération, l’AFVM était intacte, mais le nombre de fibres avait diminué de 2/3 au niveau du FLI par rapport au bilan préopératoire.

Alors même que son AFVM était intacte, ce patient était incapable de lire car celle-ci était déconnectée des régions occipitales du cerveau ! Sans FLI, les informations visuelles prétraitées au niveau du cortex occipital ne pouvaient être envoyées jusqu’à l’AFVM !

La zone colorée en jaune correspond aux aires visuelles primaires et secondaires. Elle transmettent leurs informations à l’AVFM (en rouge) via le faisceau longitudinal inférieur (FLI), indiqué en bleu.

Lors de l’exérèse du foyer épileptique, les neurochirurgiens ont du sectionner le FLI (la pièce d’exérèse correspond à la zone noircie).

 

Six mois plus tard, ces observations se confirmaient : le FLI était totalement atrophié. Plus aucune communication n’était possible entre les régions occipitales et l’AFVM via le FLI.

Mais étrangement, ce patient n’avait pas perdu toute faculté à la lecture… Il ne pouvait lire un mot spontanément, mais en était capable s’il déchiffrait chacune des lettres indépendamment, consciemment. On appelle cela une lecture lettre-par-lettre.

Quand l’autoroute est bouchée, on passe par les nationales. C’est plus long et plus laborieux, mais cela nous permet quand même d’arriver à destination !

Ici, après la destruction chirurgicale de la route « superficielle », l’information transiterait par des faisceaux et structures plus profondes. Cela prend plus de temps, et exige de passer par des mécanismes conscients –alors qu’en temps normal on ne se rend pas compte de ces étapes d’assemblage des lettres et des syllabes- mais le cerveau arrive toujours à se débrouiller.

Cela fut vérifié grâce à l’IRM fonctionnelle : aucun signal n’était capté au niveau de l’AFVM durant les épreuves de lecture rapide… Alors qu’elle s’activait pendant la lecture lettre-par-lettre !

Alors bien sûr, les conséquences fâcheuses de l’exérèse du foyer épileptique chez ce patient avaient été anticipées bien avant son opération. C’est d’ailleurs pour cela qu’Epelbaum et ses collègues, qui travaillaient alors sur les mécanismes cérébraux de la lecture, l’avait contacté.

Nous voyons bien que nous ne pouvons pas réduire le fonctionnement cérébral aux activations corticales : il faut aussi prendre en compte toutes les connexions entre les différentes aires du cortex. Nous avons aujourd’hui de nouveaux outils, très précis, qui nous permettent d’envisager une approche nouvelle de la neurologie.

N’oublions pas les autoroutes !

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SOURCES :

- Epelbaum, S., Pinel, P., Gaillard, R., Delmaire, C., Perrin, M., Dupont, S., ... & Cohen, L. (2008). Pure alexia as a disconnection syndrome: new diffusion imaging evidence for an old concept. Cortex, 44(8), 962-974.

- https://fr.wikipedia.org/wiki/Carl_Wernicke