Le cerveau, une galaxie dans votre tête

Tout ce que nous savons sur le cerveau simplifié et vulgarisé

David Fortin

• Éditeur: Presses de l'Université du Québec
• Année: 2022
• ISBN de l'eBook: 9782760556829
• Sujet: Medicine
• Sujet: Anatomy

L'humain est souvent à la recherche de mystère et de fascination. Eh bien, nul besoin de s'aventurer bien loin. Il suffit de diriger son attention vers la boite crânienne qui abrite l'un des plus grands mystères de tous les temps?: le cerveau humain. On dit qu'il y aurait autant de connexions neuronales dans le cerveau que d'étoiles dans notre galaxie. Il n'est donc pas étonnant que son fonctionnement et sa structure demeurent en partie occultes. Néanmoins, les avancées en la matière se sont accélérées grâce aux nouvelles technologies en imagerie cérébrale et en physiologie. Notre conception de l'organe cérébral a beaucoup évolué au cours de l'histoire, surtout depuis une vingtaine d'années. Le présent ouvrage offre un condensé vulgarisé des plus récentes connaissances sur le sujet. Proposant d'abord un court historique des neurosciences, ce livre explore ensuite les différents aspects de l'anatomie et du fonctionnement du cerveau ainsi que l'intégration des fonctions cognitives. Une fois les connaissances sur le cerveau mises à jour, on aborde les maladies pouvant l'affecter. En dernière partie, l'ouvrage prend la forme d'un essai plus philosophique sur la nature de la conscience, les promesses de l'intelligence artificielle et l'influence des nouvelles technologies sur le cerveau. Ce livre s'adresse à tous les curieux qui cherchent à mieux comprendre le cerveau, sa structure et son fonctionnement.

Partie II

L’étude du cerveau

Chapitre 2

Le cerveau, un ordinateur ?

Une comparaison simple, mais utile et efficace

Il est commun de comparer le cerveau à un ordinateur. De prime abord, cela peut sembler une analogie boiteuse, simpliste. Il est en fait présomptueux de réduire à sa plus simple expression un organe dont nous sommes bien loin de comprendre les fins détails du fonctionnement, un organe d’une grande complexité qui représente, du moins pour l’instant, le pinacle de l’évolution sur notre planète. Mais cette comparaison a ses avantages. C’est un excellent point de départ pour mettre les différentes composantes du cerveau humain en place dans un modèle simple et cohérent. C’est vrai, à condition de bien cerner la limite dans cette comparaison, ce que nous ferons plus tard. À l’aide de cette analogie que nous sommes tous en mesure de comprendre, nous pouvons ainsi mettre en place les différentes pièces du casse-tête (c’est le cas de le dire !) que nous allons par la suite explorer. C’est sur cette base de fondation que nous allons par la suite ériger le reste du bâtiment de nos connaissances. Donc plongeons, sans plus tarder.

Toute discussion du cerveau doit débuter avec le neurone, l’unité fonctionnelle de base de cet organe (Kandel et al., 2013). Qu’est-ce qu’un neurone ? Il s’agit d’une cellule spécialisée dans la communication. Le neurone génère et transmet une information sous la forme d’un influx nerveux qui n’est autre qu’un courant électrique. Le neurone comporte plusieurs variantes morphologiques qui servent leur fonction précise. Cependant, les neurones partagent tous le même agencement général (figure 2.1).

FIGURE 2.1 | Neurone

Note : Neurone. Microphotographie d’un groupe de trois neurones pyramidaux. On distingue aisément le corps cellulaire du neurone ainsi que la base de l’axone en charge d’intégrer l’information nécessaire à la décision de lancer ou non un influx nerveux (potentiel d’action). Cette région du neurone se transforme par la suite en un long prolongement de signalisation, l’axone. Finalement, rattachés au corps cellulaire telles de multiples antennes de réception, les dendrites.

Les neurones sont d’abord formés d’un corps cellulaire (aussi appelé soma), qui contient un noyau assez volumineux. Ils sont par la suite pourvus de prolongements multiples ressemblant à des antennes de réception, que nous appelons dendrites. Les dendrites sont au nombre moyen de 7000 par neurone, et reçoivent les influx d’autres neurones. Ils captent et acheminent ces influx vers le corps du neurone. La totalité des signaux captés sont éventuellement intégrés dans une région à la jonction entre le corps cellulaire et l’unité de transmission du neurone appelée axone. Cette région d’intégration, la base de l’axone, aussi appelée zone gâchette, prend ultimement la décision de générer un signal ou non ; en effet, il s’agit d’un évènement tout ou rien, dichotomique. Soit le neurone envoie un signal, soit il n’en envoie pas. Il n’y a pas de zone grise, ici. Ce signal est aussi appelé potentiel d’action, et implique un processus complexe qui dépolarise la membrane de l’axone, générant ainsi un « courant électrique ». Si le potentiel d’action est déclenché, ce dernier va circuler le long de l’axone (Kandel et al., 2013). L’axone est l’unité signalétique du neurone ; c’est le fil électrique le long duquel circule le signal. Les axones peuvent être courts, ou relativement longs (mesurer plus d’un mètre). Ces axones, qui connectent les neurones entre eux, sont un peu les différents fils électriques de notre ordinateur. Comme nous le verrons plus loin, leur nombre est franchement ahurissant !

Le processeur

Dans notre modèle, nous dirons donc que le neurone est en fait le processeur de notre ordinateur, un processeur dichotomique qui peut lancer ou non une information sous la forme d’un courant se propageant le long de l’axone, le prolongement du neurone. Nous surnommons ce courant potentiel d’action, tel que nous l’avons mentionné précédemment. Dans ce cas, si un neurone se comporte de manière binaire (oui ou non), en quoi ou comment le cerveau est-il plus puissant qu’un ordinateur de bureau ? Qu’est-ce qui constitue la subtilité de l’information générée, la souplesse et la richesse de cette dernière ? La force du nombre. Il y a approximativement 100 milliards de neurones dans le cerveau humain (Cobb, 2020). Si l’on tient compte que chacun de ces neurones fait en moyenne plus de 10 000 contacts avec d’autres neurones, il y aurait donc plus de 40 × 10¹⁴ contacts neuronaux dans le cerveau humain… c’est 4 000 000 000 000 000 contacts, soit 4 billiards ! N’oublions pas que ces contacts neuronaux impliquent des axones, le prolongement des neurones. Ce nombre, c’est donc celui du nombre moyen approximatif d’axones dans un cerveau humain. Un nombre difficile à imaginer si l’on considère que ces axones sont confinés dans un volume somme toute assez limité, d’environ 1 200 cm³. Ce nombre serait du même ordre de grandeur que le nombre d’étoiles présentes dans notre galaxie, la Voie lactée. Un bien drôle de hasard, si vous me permettez cette remarque non scientifique. Arrêtez-vous un moment pour essayer d’imaginer concrètement ce que veut dire 40 × 10¹⁴, et estimez en vous regardant dans le miroir le volume de votre crâne. Cela vous aidera à comprendre à quel point nous contemplons conceptuellement l’infiniment petit et l’infiniment grand à la fois, et que ces structures infimes tissent le maillage de notre pensée. Nous y reviendrons plus loin, avec une visée plus philosophique (chapitre 10), mais pour l’instant, tenons-nous-en aux faits !

Imaginez-vous donc un appareil contenant un nombre ahurissant de processeurs qui sont connectés en série et en parallèle sous forme de réseaux hiérarchiques, afin d’accomplir différentes tâches simultanément et de manière intégrée.

Pour l’heure, nous allons considérer que la grande majorité des neurones résident dans le cortex cérébral. Ce n’est pas tout à fait exact, mais cette simplification nous aidera pour la suite, et nous éclaircirons le tableau à mesure de notre progression dans l’acquisition de nos connaissances. Nous allons donc brièvement parler du cortex cérébral ; nous y reviendrons en détail plus loin !

Le cortex est la couche extérieure du cerveau et recouvre l’ensemble du volume cérébral. L’étymologie du mot cortex vient d’« écorce », ce qui fait image. En effet, le cortex cérébral recouvre le cerveau. Cette mince couche de 4 mm contient un total de 40 milliards de neurones (Blumenfeld, 2011). Nous verrons dans le chapitre 4 que ces neurones sont organisés en colonnes fonctionnelles s’étendant sur toute l’épaisseur du cortex. Les neurones du cortex doivent être interconnectés pour accomplir leur fonction. Or nous avons vu que ces connexions sont médiées par les axones, l’unité signalétique du neurone. Les axones sont donc les fils qu’on retrouve dans notre ordinateur et qui assurent la liaison entre nos processeurs. Comme nous le verrons au chapitre 4, ces fils, ou axones qui sont extrêmement nombreux, sont organisés en paquets sous la forme de gros câbles électriques qui, collectivement, donnent le nom à l’essentiel de la masse cérébrale que nous retrouvons sous le cortex et que nous appelons communément matière blanche. La matière est blanche, car la couleur des axones apparaît blanche, en raison de la présence d’une protéine, la myéline, qui entoure les axones (Kandel et al., 2013). Cette protéine sert d’isolation ; c’est un peu la gaine de caoutchouc entourant chaque fil électrique du cerveau. On parle de matière blanche, donc, par opposition à la couleur du cortex, qui est grisâtre, d’où son qualificatif de matière grise.

La carte vidéo, la carte audio et le coprocesseur mathématique

Notre ordinateur contient donc de nombreux processeurs (neurones) connectés entre eux par des axones (fils électriques). Mais ce ne sont pas là les seules composantes d’un ordinateur, n’est-ce pas ? Les ordinateurs sont pourvus de composantes surspécialisées qui prennent en charge des fonctions précises et complexes. La carte vidéo et la carte audio, par exemple, qui gèrent de manière précise et poussée les informations de type graphique et sonore, ou le coprocesseur mathématique, qui peut assumer des fonctions de calculs complexes en parallèle au processeur principal. Eh bien notre cerveau aussi semble pourvu de telles composantes surspécialisées. En effet, enfouis dans la matière blanche, plusieurs groupes de neurones organisés en systèmes précis ont pour fonction le raffinement d’informations et l’apprentissage de certaines thématiques définies (Blumenfeld, 2011). Que ce soit la gestion des informations sensitives (le thalamus), le raffinement et l’apprentissage d’activités motrices complexes (les ganglions gris centraux), la mémoire (l’hippocampe), la régulation de l’activité automatique du corps (l’hypothalamus), des groupes fonctionnels de neurones gèrent ces fonctions plus précises en interagissant avec l’ensemble du cerveau et du flot continu d’informations généré par le cortex et ses connexions. Ces composantes sont donc vraiment des cartes d’intégration et d’analyse plus spécialisées pour certaines thématiques précises de l’activité humaine.

Le clavier et l’écran

Tout cela est bien intéressant, mais à quoi pourrait bien servir un agencement organique aussi complexe s’il ne possède aucun médium d’entrée ou de sortie de l’information ? En effet, la puissance de cet organe intégré est mise en relief au fil de l’histoire par les différents accomplissements d’individus hors du commun répertoriés dans le narratif de l’humanité. Il va de soi que nous sommes tous capables d’accomplir des actions d’une prodigieuse complexité, et que nous sommes tous de petites merveilles organiques. Cependant, certains êtres d’exception marquent notre imaginaire de manière durable. C’est pourquoi nous retenons certains noms, certains accomplissements comme des jalons de l’histoire de notre civilisation. Leonardo Da Vinci, Isaac Newton, Albert Einstein, Winston Churchill, Marie Curie font partie de ces êtres d’exception. En fait, une référence au chapitre 1 de ce texte est tout aussi appropriée, et permet de relever différents accomplissements dignes de mention. De toute évidence, il s’agit surtout d’exploits intellectuels, mais il ne faudrait pas non plus négliger les exploits physiques et sportifs extraordinaires (regardez les Olympiques !), les prestations musicales et théâtrales ; toutes les sphères de l’activité humaine regorgent d’exemples exceptionnels. En fait, dans le simple fait de mener à bien nos tâches quotidiennes avec aisance nous démontrons toute la flexibilité dont nos cerveaux sont capables.

Tout ceci présuppose que les êtres humains pourvus de ces cerveaux extraordinaires ont la capacité d’intrant et d’extrant : en effet, l’information doit de toute évidence parvenir au cerveau par l’entremise de différents organes de perception (intrant) afin de servir de nourriture analytique. Puis, à la conclusion de cette analyse, le sujet doit avoir la capacité d’en communiquer les résultats, soit de manière verbale (communication orale ou écrite), manuelle (constructions, plans, devis, etc.) ou motrice (routine de gymnastique, plongeon, course ou toute autre activité physique) (extrant).

Ainsi, en matière de média d’entrée de l’information vers le cerveau, tous nos sens sont mis à contribution. Que ce soit par l’entremise des facultés sensitives évidentes, tels la vision, l’audition, le toucher et la perception de la température, ou par des sens plus subtils, comme la position de nos articulations ou de nos muscles dans l’espace, l’orientation de notre tête, notre cerveau reçoit un flot continu d’informations qui sont intégrées dans des centres spécialisés (nous y avons fait allusion plus tôt, et nous y reviendrons au chapitre 5). Ces médias d’entrée sont un peu l’équivalent du clavier de notre ordinateur, ou de la carte Wi-Fi nous permettant d’interfacer notre ordinateur avec Internet et d’accéder à son information. De même, l’ordinateur communique avec nous essentiellement par l’entremise de son écran, nous permettant de prendre connaissance du résultat des différentes opérations accomplies. Il s’agit du médium de sortie (l’extrant), tout comme la carte audio (qui peut en fait servir les deux fonctions). Un ordinateur sans clavier ou dépouillé de médium d’entrée de l’information serait comme un cerveau privé de tous ses sens. À l’inverse, un ordinateur sans écran ni haut-parleur pourrait difficilement nous communiquer le résultat de son travail, un peu comme le corps abîmé de quelqu’un qui aurait perdu la parole ou la capacité de se déplacer. Car en effet, malheureusement, il arrive que le cerveau soit atteint par un quelconque processus pathologique qui en affecte la fonction, ce qui a pour effet de limiter la capacité d’intrant et/ou d’extrant.

La carte maîtresse (le motherboard)

Le système nerveux contient un endroit central d’intégration de différentes modalités, une région qui, du point de vue évolutif, est ancestrale et fondamentale au fonctionnement neurologique. Dans cette région sont concentrées tout un tas de fonctions vitales et primordiales, diffuses, essentielles au fonctionnement de l’organisme humain (Blumenfeld, 2011). Cette structure, le tronc cérébral, assure la continuité du flot de l’information avec les autres structures profondes que nous avons mentionnées plus tôt. Le tronc cérébral, c’est un peu l’autoroute de l’information dans notre cerveau, une structure qui voit transiter la plupart des informations entrant et sortant de notre encéphale, module certaines de ces informations et assure un certain fonctionnement automatique des fonctions vitales de notre corps, tels le rythme respiratoire de base, ainsi que les battements cardiaques. Le système nerveux central est ainsi organisé autour de ce « hub » primordial. Comme nous le verrons plus loin dans ce texte, sans tronc cérébral, la vie est impossible, et un dommage sévère à cette structure entraîne presque automatiquement la mort cérébrale. Un ordinateur ne peut fonctionner sans carte maîtresse. L’ordinateur peut fonctionner partiellement sans clavier, sans souris, même sans écran ni carte audio ; mais enlevez la carte maîtresse, et tout s’éteint ! Il en est ainsi du cerveau. Un individu peut continuer à fonctionner avec des atteintes de certaines composantes de son cerveau (il présentera évidemment des déficits conséquents), mais ne peut fonctionner avec une lésion massive dans son tronc cérébral. Nous discuterons plus en détail de cette structure complexe au chapitre 6. Comme nous le verrons, de par sa constitution et son emplacement, le tronc cérébral est un transit entre la moelle épinière, le cervelet et le reste de l’encéphale, fonctionnant comme un véritable intégrateur.

Le câble électrique

Évidemment, afin d’être utile à l’ensemble de l’organisme, le cerveau doit y être connecté ! Le Wi-Fi n’existe pas (du moins pas encore) pour assure...

Table des matières

• Couverture
• Page de titre
• Page de copyright
• Dévouement
• « Avant-propos »
• Liste des figures
• Liste des sigles et acronymes
• Introduction
• Partie I: L’histoire des neurosciences
• Partie II: L’étude du cerveau
• Partie III: Les maladies affectant le cerveau
• Partie IV: Une discussion philosophique
• Conclusion
• Bibliographie