Le Cerveau sur mesure

Jean-Didier Vincent, Pierre-Marie Lledo

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2012
• Imprimer l'ISBN: 9782738127099
• ISBN de l'eBook: 9782738181954
• Sujet: Biological Sciences
• Sujet: Neuroscience

Notre cerveau n'est pas un organe figé une fois pour toutes quand nous devenons adultes. Il évolue tout au long de notre vie, en fonction aussi de notre histoire, de notre culture. Et cette plasticité ouvre des perspectives pour tous ceux qui sont atteints de troubles liés à un traumatisme ou à une maladie dégénérative. Peut-on envisager de recouvrer la parole après un accident vasculaire cérébral ? Va-t-on vers une médecine régénératrice ? À côté du cerveau réparé, n'est-ce pas un cerveau augmenté, voire dopé, qui se profile grâce aux programmes d'entraînement cognitif, aux psychostimulants, aux molécules « intelligentes » et autres implants ? Mémoire surpuissante, vision nocturne parfaite, contrôle à distance de robots : que nous préparent les nouvelles neurosciences ? Et si l'immortalité n'était pas seulement un rêve ? Auteur du Voyage extraordinaire au centre du cerveau et de Biologie des passions, membre de l'Académie des sciences et de l'Académie de médecine, Jean-Didier Vincent est professeur émérite à l'université Paris-Sud et a dirigé l'Institut Alfred-Fessard du CNRS à Gif-sur-Yvette. Il a reçu en 2010 le prix Fémina essai. Pierre-Marie Lledo, médaille de bronze du CNRS, a reçu le prix de neurologie de la Fondation pour la recherche médicale en 2010. Membre de l'Académie européenne des sciences, il dirige le laboratoire de recherche Perception et mémoire à l'Institut Pasteur et le laboratoire Gène, synapse et cognition du CNRS. 

Chapitre 1

Il était une forme

« Créer, c’est aussi donner une forme à son destin. »

Albert CAMUS,

Le Mythe de Sisyphe, 1942.

Parler de créer à propos des origines de cette forme admirable, le cerveau, c’est s’exposer à cette détestation au regard des savants qu’est le créationnisme. Le seul créateur dont la présence effective sur la Terre (comme aujourd’hui dans les cieux) soit attestée, c’est justement le cerveau de l’homme, artisan génial des outils allant de la simple pierre ou du brin de bois jusqu’au langage articulé qui lui permettent d’instrumenter le monde pour le mettre à sa disposition. D’ailleurs, au lieu d’origine, nous préférons dire « commencement » dans le sens utilisé par l’apôtre Jean – au commencement était le Verbe – ou dans celui de Goethe – au commencement était l’Action – et pourquoi pas enfin au sens d’au commencement était l’Amour, qui a notre préférence. Et les rationalistes imbus de rigueur scientifique de s’indigner : il s’agirait là de spiritualisme, de théologie, pire de magie ; un enchantement du monde avec en ombre portée la présence de Dieu. Rien ne permet au scientifique d’infirmer celle-ci, pas plus que de la prouver. Le grand physicien Laplace ne répondait pas à l’empereur qui l’interrogeait : « Dieu n’existe pas », mais : « Je n’ai pas besoin de Dieu pour faire ce que je fais. » Voilà la véritable rigueur. Il faut toutefois insister sur le sens à donner à cette rigueur. Parce qu’au sein même de la communauté scientifique, un clivage règne à ce sujet. Selon leur discipline, les scientifiques ne l’envisagent pas exactement de la même manière. L’un de nous assistait récemment à la prestation d’une mathématicienne qui insistait pour qu’il y ait des mathématiques au lycée. Et de celles-ci, elle disait : « C’est magique ! » Un physicien présent a aussitôt bondi : « En science, il n’y a pas de magie. Il y a des causes. Lorsque je ne sais pas, je cherche à comprendre, je cherche des lois ! » La mathématicienne, qui évolue pourtant dans le domaine de la rationalité absolue, a insisté : « Moi, ma découverte est le produit d’un enchantement. J’enchante le monde avec mes mathématiques et je m’enchante avec mes théorèmes ! »

De la même façon, lorsque nous suggérons qu’« au commencement était l’Amour », nous faisons référence aux débuts de la vie sur la Terre, il y a plus d’un milliard d’années, sans faire intervenir la moindre trace de transcendance. La vie apparaît quand l’Amour vient à la matière et déclenche le grand jeu de reconnaissances entre molécules organiques qui se lient par affinités électives. Rien ne se crée sans énergie. La vie extrait celle-ci du monde, Terre ou Soleil, et elle s’en sert aux fins de sa propre construction. La matière vivante se nourrit de la matière vivante. Les molécules s’associent pour découvrir des formes nouvelles, les éprouvent, les adoptent ou les abandonnent sous l’emprise de la sélection naturelle. L’évolution du vivant commence alors… La forme des organismes traduit la constance et la stabilité des espèces. Cependant, étrange paradoxe, cette identité singulière s’accompagne d’un remaniement permanent qui conduit à la disparition d’espèces anciennes que de nouvelles viennent remplacer.

Ayant pour ainsi dire en tête l’étude du cerveau humain et de ses antécédents dans l’histoire évolutive du règne animal, nous aborderons dans un premier temps, les terres fertiles de l’embryologie ; il s’agira de décrire comment le cerveau a émergé à partir d’un conglomérat de cellules que l’on nomme morula32. Nous verrons aussi comment la génétique moderne, en révélant l’existence d’un plan de construction inscrit dans une séquence génétique particulière, a réintroduit subrepticement la notion antique de forme dans le débat scientifique. Empruntant les pas de Démocrite pour qui la forme désigne l’agencement des parties d’un tout33, nous nommerons structure l’organisation anatomique des entités fonctionnelles du cerveau. Le lecteur sera alors invité à visiter les principales structures du cerveau humain ou des régions homologues34 d’autres vertébrés. En découvrant l’importance de l’expression des gènes du développement35 dans l’émergence de différentes formes et structures du système nerveux, y compris l’encéphale36, la biologie moderne s’est emparée de cette question pour la replacer au centre des débats scientifiques contemporains.

Les généticiens nous apprennent qu’il existe des gènes qui déterminent la place relative des organes les uns par rapport aux autres. Dits « homéotiques37 », ils sont capables d’organiser la structuration précise du corps de l’embryon de l’avant vers l’arrière. Depuis les travaux de Thomas Morgan38, les découvertes fondamentales en génétique ont surtout été réalisées à partir des manipulations d’un insecte, la mouche du vinaigre, appelée aussi drosophile. Sans déroger à cette règle, c’est durant les années 1980 que les gènes homéotiques ont été découverts chez la drosophile. Ils sont à l’œuvre non seulement pour construire le cerveau de l’embryon, mais aussi lorsqu’il s’agit de garantir la conservation de la forme, tel un moule que l’on conserve précieusement, quelle que soit l’espèce considérée. Au cours de l’évolution des espèces, les gènes homéotiques ont ainsi été responsables de l’émergence d’entités anatomiques bien distinctes le long du corps : une tête surmontant un thorax, lui-même situé au-dessus d’un abdomen. Ces entités anatomiques sont dotées de propriétés fonctionnelles qui tiennent aussi bien à leur nature qu’à leur agencement respectif les unes par rapport aux autres dans l’organisme. Nous le détaillerons plus loin, invertébrés et vertébrés sont bâtis sur un schéma général qui respecte cet agencement spatial ordonné par l’action des gènes homéotiques.

C’est grâce à la conservation de ces gènes qu’un œuf de poule donnera invariablement un gallinacé du genre Gallus domesticus ou que l’ovocyte de la femme fécondé par un spermatozoïde humain produira toujours, et sans surprise, un petit humain. Aujourd’hui, les théories modernes du développement nous enseignent que les gènes homologues intervenant dans les mêmes régions du génome, chez des organismes aussi disparates que la mouche et l’homme, sont en quelque sorte des caractères topologiques invariants et donc communs à toutes les espèces – permanence de la forme avec variations.

Bien sûr, l’idée d’une invariance des structures anatomiques, d’une espèce à l’autre, n’a pas attendu l’avènement de la biologie moléculaire pour naître dans l’esprit des chercheurs. L’assertion d’une conservation de la forme rappelle les préceptes défendus jadis par Geoffroy Saint-Hilaire39 pour qui il existait un plan unique d’organisation du vivant. Dès 1796, il a énoncé cette loi sous la forme du « principe d’unité de composition organique », selon lequel les organes, qui peuvent varier de taille ou de fonction d’une espèce à l’autre, occupent une position relative qui demeure constante des insectes aux vertébrés40. Cette conception révolutionnaire était considérée comme radicale à l’époque, car elle s’opposait notamment à la position centrale tenue par l’Académie des sciences et en particulier à celle de Georges Cuvier41.

S’il est un domaine de la vie animale où la pérennité des formes est remarquable, celui des structures nerveuses qui gèrent les désirs, les passions et les différents aspects de l’affectivité, est la marque de tous les vertébrés42. La grande innovation introduite par ces derniers dans l’évolution des espèces n’est pas tant la vertèbre qu’une tête d’un nouveau style43, dont il sera largement question plus loin. Celle-ci rassemble à l’avant du corps les organes sensoriels (yeux, oreilles, organes olfactifs), bien protégés par un masque osseux, pour la recherche et l’approche des proies autour d’une vaste bouche qui les saisira, les tuera et les avalera. Toutes ces formes dérivent d’une même structure embryonnaire, la crête neurale44 constituée de cellules en devenir45 qui, après migration dans le corps et la tête, donneront notamment les os et le tissu conjonctif de la face avec sa gueule vorace et le système nerveux sympathique qui relie le cerveau aux organes vitaux du corps.

Cette organisation de la tête les conduit à regarder le monde de l’avant et leur amène des capacités ouvertes d’investigations sur ce monde que nous pourrions qualifier de curiosité. Ces nouvelles capacités sont liées au système nerveux des vertébrés, ainsi qu’au fonctionnement de gènes du développement, irrégulier dans le temps, qui privilégie certaines parties du corps, entraînant une extraordinaire aptitude de relation au milieu. La contingence s’introduit dans la construction de l’individu. Ce grain de contingence supplémentaire s’accompagne d’un désir accru, moteur de l’ouverture du sujet sur le monde : une subjectivité agissante. Pour le dire autrement, l’animal curieux regarde le monde et l’avenir, serait-on tenté de dire. Bien sûr, il n’y a là ni finalité ni intention.

Ce destin affiché du cerveau des vertébrés nous conduit au cerveau humain. Il est temps d’ouvrir le rideau sur l’atelier du maître tailleur qui confectionne ce cerveau sur mesure.

Derrière la diversité du règne animal, un plan unique

Comment ne pas être ébloui devant la fabuleuse diversité des espèces animales ? Derrière celle-ci se cache en réalité un plan de base, un patron comme en utilisent les couturiers et tailleurs avant d’introduire leurs variations. Et c’est dans le « patrimoine génétique » de chaque individu que ce patron est conservé. L’ensemble des gènes appelé génome est réparti sur les chromosomes au sein du noyau de la cellule qui est – on le sait depuis deux siècles – l’unité de base des êtres vivants.

Certains gènes ont pour fonction principale d’informer les cellules de leur migration durant l’embryogenèse, puis de préciser leur positionnement final afin de contribuer à la formation des organes (étape que l’on nomme organogenèse) dans les trois dimensions de l’espace euclidien : un axe dorso-ventral, un axe antéro-postérieur et un axe latéro-médian (ou droit-gauche46). Par exemple, chez la drosophile, les gènes homéotiques de la famille Hom-C ont comme unique fonction d’assurer la spécialisation sur l’axe antéro-postérieur des différents segments du corps de la mouche. Qu’un gène de cette famille vienne à muter et la mouche sera dotée, non plus d’une, mais de deux têtes. Chez les vertébrés, deux groupes de gènes participent à la mise en place des deux grands axes de l’embryon : il s’agit des gènes Hox47 et Pax48 qui définissent le positionnement cellulaire respectivement le long de l’axe antéro-postérieur et de l’axe dorso-ventral du système nerveux central49.

L’idée relativement ancienne de plan unique d’organisation est à l’origine aujourd’hui d’un concept central en embryologie, celui de zootype. Ce dernier correspond aux patrons particuliers d’expression des gènes qui apportent des informations positionnelles précises et à un stade particulier du développement embryonnaire d’un taxon50. Or la biologie du développement nous apprend que tous les métazoaires51 ont en commun une période de développement durant laquelle tous les embryons de divers phylums se ressemblent. Par exemple, en vertu de ce principe, nous passons tous par un stade embryonnaire durant lequel nous ébauchons des branchies comme nos prédécesseurs aquatiques ? Il est tout aussi surprenant de s’apercevoir que, comme les embryons de poissons, nous développons des arcs branchiaux, de façon transitoire et fugace, qui sont à l’origine, chez l’embryon humain, de l’apparition de six petits sacs de chair, appendus de chaque côté du cou et contenant chacun une excroissance cartilagineuse. Il en va de même pour la notochorde, structure éphémère que nous fabriquons avant de la désassembler pour réutiliser ses pierres de construction dans la fabrication des disques placés entre les vertèbres. Les bâtisseurs d’églises et de châteaux anciens ne procédaient pas autrement.

Le stade particulier du développement où tous les embryons finissent par se ressembler est appelé stade phylotypique52. L’existence de ce passage forcé, où tous les embryons acquièrent la même apparence, tient à la présence d’un complexe conservé de gènes homéotiques53 qui préside à la mise en place du plan d’organisation de tous les métazoaires. Il s’agit des gènes des complexes homéotiques Hox qui ont été probablement parmi les facteurs les plus étudiés pour comprendre l’existence d’une filiation entre espèces.

Lorsque ces gènes subissent des mutations, des « transformations homéotiques » apparaissent, substituant alors un organe à un autre. L’exemple de la transformation d’une antenne de drosophile en patte reste probablement le cas le plus détaillé dans la littérature scientifique54. C’est cette propriété qui incite à considérer cette famille de gènes comme garante de l’identité d’un organisme55. C’est ainsi que la découverte de l’existence d’un complexe de gènes homéotiques commun aux insectes et aux mammifères a eu l’effet d’un séisme dans la communauté des biologistes qui estimaient, jusqu’aux années 1980, que ces animaux avaient des plans d’organisation différents. On sait par exemple que le système nerveux central des insectes, subdivisé en trois parties – protocerebrum, deutocerebrum et tritocerebrum – est positionné ventralement56, tandis que celui des vertébrés est exclusivement placé en position dorsale57.

Les gènes homéotiques constituent un ensemble de gènes très variés, qu’on rencontre chez tous les eucaryotes (cellules possédant un noyau), c’est-à-dire chez les animaux, les végétaux, les champignons et les protistes (eucaryotes unicellulaires). Au sein de ce vaste ensemble du vivant, seuls les gènes Hox proches des gènes homéotiques de la drosophile, et issus probablement d’un même gène ancestral58, forment une famille particulière présente uniquement chez les animaux pluricellulaires.

L’analyse génétique montre clairement que les gènes homéotiques sont regroupés sous la forme d’un complexe porté par le même chromosome de la drosophile. Cependant, l’observation plus détaillée de leur position montre que leur agencement sur ce même chromosome n’est pas fortuit. Au contraire, ces gènes sont agencés selon un ordre précis dans l’espace ; la position des gènes Hox sur le chromosome dépend de la région du corps placée sous son contrôle. Cette règle de correspondance parfaite entre la position des différentes parties du corps et celle des gènes Hox associés à leurs régions cibles, est appelée colinéarité spatiale. Les gènes situés à l’extrémité du chromosome labial interviennent au niveau de la tête, ceux positionnés à l’autre bout du chromosome (domaine abdominal) concernent exclusivement les régions les plus postérieures de l’embryon.

La découverte de l’existence d’un parallélisme entre la carte génétique et l’axe de polarité antéro-postérieure du plan du corps a été réalisée il y a plus de trente ans par Edward Lewis59. Cette règle concerne tous les vertébrés et les poissons primitifs dont le fameux amphioxus60 tant prisé par les biologistes. Ces espèces appartiennent toutes à la lignée des chordés61 et sont séparées des arthropodes depuis plus de cinq cent cinquante millions d’années62. L’universalité du système génétique régulateur du développement embryonnaire montre que des mêmes fonctions génétiques peuvent être partagées au sein du vivant. Cette convergence souligne, s’il était besoin, la très probable origine unique de la Scala naturae.

L’analyse moléculaire des gènes Hox révèle une particularité inattendue pour les biologistes : certains gènes possèdent en commun une région quasi identique. Ce motif répétitif appe...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Introduction
• Chapitre 1 - Il était une forme
• Chapitre 2 - Le chef-d’œuvre
• Chapitre 3 - L’atelier du cerveau
• Chapitre 4 - Le cerveau réparé
• Chapitre 5 - Le cerveau augmenté et les multiples façons d’accommoder un cerveau
• Épilogue
• Annexe I
• Annexe II
• Notes
• Remerciements
• Ouvrages de Jean-Didier Vincent chez Odile Jacob