activité neuronale

Le cerveau ressemble à une ville où chaque cellule est un habitant, et où son destin dépend de ses voisins. On pensait autrefois que le vieillissement de chaque cellule était son affaire personnelle : des lésions s'accumulaient dans l'ADN, donc la cellule s'usait toute seule. Mais une nouvelle étude montre que même la capacité d'une cellule à réparer son ADN dépend de qui vit à côté d'elle.

Une forêt ne vieillit pas de la même façon partout. À un endroit, les arbres s'éclaircissent peu à peu, comme s'ils étaient fatigués de pousser ; à un autre, ils s'accrochent obstinément à la vie, dépensant leurs forces à réparer les branches abîmées. Le vieillissement du cortex cérébral ressemble assez à cela, si on l'observe à travers le prisme de milliers d'images d'IRM.

Une pile de pages que l'on a feuilletée de nombreuses fois s'en souvient : certaines feuilles se couchent à plat, d'autres se hérissent, et par endroits, des plis subsistent. C'est à peu près ce qui se passe dans les matériaux en couches lorsque des ions y pénètrent.

Imaginez un grand orchestre sans chef. Chaque musicien entend tous les autres et s'adapte au bruit ambiant. Si chaque instrument amplifie ses voisins, le son monte jusqu'au crissement ; s'il les atténue parfois, l'orchestre peut se figer dans le silence ou sombrer dans la cacophonie.

Dans la paroi de chaque artère se joue un concert ininterrompu. Les cellules musculaires lisses, qui tapissent le vaisseau de l'intérieur, construisent en même temps une charpente de soutien en collagène, remanient leur propre squelette interne et tirent leur énergie du glucose. C'est la protéine NOTCH3, postée à la surface de la cellule et captant les signaux des voisines, qui dirige cet orchestre.

Dans la pénombre de l'aimant, la personne surveille de rares éclairs sur un écran. Une caméra infrarouge filme sa pupille mille fois par seconde, tandis qu'un appareil d'imagerie par résonance magnétique enregistre quelles zones du cerveau s'activent.

Dans une réception bruyante, une personne âgée fait répéter son interlocuteur encore et encore : les mots se noient dans le brouhaha des voix. C'est ainsi que se présente le pont par lequel le son va de l'oreille au sens. Tant que ce pont est solide, le bruit ne fait que gêner, sans interrompre la conversation.

Un détecteur supraconducteur fonctionne généralement comme une règle honnête : il absorbe un photon et émet une impulsion dont l'amplitude est strictement proportionnelle à l'énergie. Ce mode est pratique, mais il a une limite : un signal faible se perd facilement dans le bruit de l'amplificateur.

Le cerveau ressemble à un orchestre dont le chef est le cortex et le premier violon, le thalamus. Le thalamus transmet les signaux des yeux vers le cortex visuel. Mais le cortex peut aussi renvoyer des commandes en retour, ajustant le thalamus à la tâche en cours. Cela n'était auparavant qu'une hypothèse, désormais testée sur des humains.

L'épithélium tapisse nos organes comme un carrelage recouvre le sol. Au repos, les cellules se tiennent les unes aux autres et le tissu est élastique. Mais pendant le développement de l'embryon, la cicatrisation d'une plaie ou la croissance d'une tumeur, cette couche se met à couler comme du miel épais. Qu'est-ce qui déclenche exactement ce ramollissement ?

Le son pénètre dans l'oreille et atteint une fine membrane à l'intérieur de la cochlée, l'organe spiral de l'oreille interne. Cette membrane ne se contente pas de vibrer comme une corde. Elle pousse elle-même les oscillations lorsqu'elles sont faibles, et cesse de le faire lorsqu'elles sont fortes. Ainsi, l'oreille entend aussi bien un murmure qu'une conversation animée.

On lance une pièce pour prendre une décision. On reste immobile — la pièce tombe sur pile. On fait quelques pas — et on relance. On pourrait penser que la marche n'influence pas la pièce. Mais que se passerait-il si la promenade elle-même modifiait la fréquence à laquelle on décide de simplement répéter le lancer précédent ? C'est exactement ce que les chercheurs ont testé.

Une cloche cachée dans un épais coffret peut être mise à sonner sans ouvrir le couvercle. Il suffit d'envoyer une onde sonore à travers les parois — et le battant se met à vibrer.

Dans les prolongements longs du neurone — les dendrites — de minuscules coursiers vont et viennent sans cesse. Ce sont des molécules d'ARN messager qui portent les instructions pour la fabrication des protéines. Leur trajet commence dans le corps cellulaire et se termine aux synapses — les contacts avec d'autres neurones.

Un neurone qui transmet un signal ressemble à une minuscule batterie qui se décharge et se recharge rapidement. Pendant près de 70 ans, on a cru qu'une « vanne potassique » spéciale, s'ouvrant avec un retard, était responsable de la phase de recharge. Une nouvelle étude affirme que ce courant est un fantôme.

Un stade bondé entend pour la première fois la voix du commentateur – et aussitôt, toute la foule s’anime. Le message retentit encore et encore. Seule une poignée de spectateurs, dans les rangs voisins, réagit. C’est à peu près ainsi que se comportent les réseaux de neurones dans les organoïdes cérébraux – ces mini-cerveaux cultivés en laboratoire.

Une bactérie nage vers de la nourriture. Un signal chimique la guide, mais à chaque mouvement, le signal change. Une boucle se forme : sensation — action — nouvelle sensation. Les auteurs de l'étude ont transformé cette boucle en une grandeur mesurable.

Un nuage d'atomes refroidi à presque zéro absolu se met soudain à se comporter comme un cerveau. Un atome excité déclenche une réaction en chaîne — les voisins « s'allument » à leur tour, et une avalanche d'activité parcourt le gaz. Les physiciens appellent cela la facilitation de Rydberg : les atomes s'excitent plus facilement si un atome excité se trouve à proximité.

Le cerveau d'un méditant, c'est un orchestre, et l'attention, son chef. Lorsque vous êtes concentré sur votre respiration, tous les instruments jouent en harmonie. Mais soudain, une pensée-violoncelle joue une fausse note : c'est la divagation de l'esprit.

Après qu'une pierre a été jetée, les cercles à la surface de l'eau disparaissent, mais le liquide conserve des vibrations microscopiques. Le moindre souffle – et la ride renaît. Les réseaux de neurones se comportent de manière similaire.

Pour comprendre le cerveau, il faut savoir comment les neurones sont connectés. Habituellement, on les active un par un avec de la lumière — c'est comme vérifier chaque robinet d'un immense jardin pour trouver tous les tuyaux. Des millions d'essais prennent du temps et peuvent endommager le tissu vivant.

Imaginez un vieux théâtre dans un brouillard humide. Sur scène, une poignée d'acteurs, mais un seul est saisi par le faisceau du projecteur, figé dans une tache lumineuse. Les autres tourbillonnent dans la pénombre, prêts à s'évanouir à tout moment.

En 1905, Einstein a montré que le mouvement chaotique du pollen dans l'eau résulte des impacts de molécules invisibles. Un siècle plus tard, les physiciens ont appris non seulement à observer, mais aussi à contrôler le mouvement à l'échelle quantique.

Un neurone envoie un signal à son voisin. Celui-ci ne répond pas immédiatement : l'impulsion se propage le long de la fibre à vitesse finie, comme une lettre qui s'attarde en route. D'ordinaire, on considère ce délai comme une gêne, mais dans ces travaux, il devient chef d'orchestre.

Lorsque le chef d'orchestre quitte l'orchestre, les musiciens continuent encore un moment à jouer de mémoire. Mais sans un rythme unique, chacun commence à accélérer ou à ralentir de son propre chef, et la symphonie harmonieuse se transforme en bruit confus.

La caméra d'un smartphone filme tout, tandis que l'œil saisit immédiatement l'essentiel. La rétine ne se contente pas de transmettre l'image au cerveau : sur place, elle accentue les contours, atténue le bruit superflu et s'ajuste à la luminosité.

Un peintre compose son tableau en observant le spectateur dans la salle. Si le spectateur sourit, le peintre ajoute plus de rouge et de courbes ; s'il fronce les sourcils, il retire le bleu et casse les angles.

L'orchestre joue sans chef. Chaque musicien a sa partition : ce sont les gènes. Le volume et le tempo dépendent de l'acoustique de la salle, de l'humeur et des voisins de scène. C'est à peu près ainsi que l'hérédité et la vie quotidienne façonnent ensemble le comportement d'un adolescent.

Dans toute bande, il y a des trios implicites : trois amis qui sont toujours ensemble. Et il y a des paires qui existent par elles-mêmes. Il s'avère que la mesure dans laquelle les trios « contiennent » les paires détermine la façon dont tout se propage dans le groupe — d'un virus à une nouvelle idée.

Le cerveau est organisé comme un immeuble à plusieurs étages : les étages inférieurs traitent les signaux simples, tandis que les étages supérieurs les assemblent en images complexes. Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que cet ordre est lié à la manière dont les neurones travaillent ensemble. Mais comment exactement restait un mystère.

À l'intérieur de chaque neurone se trouve un canal long et fin — l'axone — par lequel le signal va du corps cellulaire aux autres cellules. Pour que ce canal fonctionne, des mitochondries — ces minuscules organites qui produisent l'énergie — y circulent en permanence. Elles se déplacent dans les deux sens, comme des voitures sur une route étroite.

Une cellule qui s'apprête à se diviser commence par marquer sa taille. Sous sa membrane, dans un fin gel de filaments protéiques, un mouvement s'engage. Les filaments coulent comme une rivière lente et, au milieu de la cellule, une ceinture se forme. Cette ceinture se resserre de plus en plus jusqu'à ce que la cellule se divise en deux.

Un neurone qui vient de se calmer ressemble à un pianiste qui retire ses mains du clavier. Mais à l'intérieur, un travail silencieux se poursuit : de minuscules pompes expulsent les ions chlorure vers l'extérieur, remettant l'instrument en état de marche.

Le neurone perçoit les signaux électriques à la manière d'un microphone hypersensible qui capterait les moindres vibrations.

Un couteau de cuisine et un économe, pris séparément, accomplissent des tâches différentes, mais lorsqu'un cuisinier apprend une nouvelle recette, il saisit souvent le même couteau pour tout. Il semble que le cerveau fasse de même lorsqu'il acquiert une nouvelle compétence de discrimination visuelle.

La mouche à fruits, ou drosophile, est une créature minuscule avec un cerveau de la taille d'une graine de pavot. Il contient environ cent mille cellules nerveuses, et les scientifiques en ont déjà dressé une carte complète des connexions – comme un plan de métro urbain, où les stations sont les neurones et les lignes, les connexions entre eux.

À l'intérieur de chaque cellule, il existe un échafaudage de filaments – comme des échafaudages de construction qui lui donnent sa forme et lui permettent de se déplacer.

La nuit, le cerveau ne s'éteint pas. Au lieu de cela, il trie les événements de la journée, comme un bibliothécaire range les livres sur les étagères. Mais d'où viennent ces images étranges, parfois dénuées de sens, que l'on voit en rêve ? Beaucoup pensaient qu'il s'agissait simplement de bruit aléatoire, sans importance.

Un bureau où les employés échangent des notes. Tant qu'il y a peu de tâches, chacun travaille de son côté. Mais quand une commande urgente arrive, certains services se mettent à envoyer activement des messages à d'autres, et le travail d'ensemble devient plus coordonné. C'est à peu près ce que fait le cerveau lorsque nous essayons de garder plusieurs choses en tête à la fois.

On essaie de ne pas penser à la dispute de ce matin, mais des images vives s'imposent à l'esprit. En parallèle, on prépare un rapport et on garde des chiffres en tête. Résultat : la mémoire perturbe le travail, et le travail empêche d'oublier. Des scientifiques ont voulu vérifier comment le cerveau gère cette double charge chez des personnes plus ou moins anxieuses.