synapse

Quatre vieilles cartes dormaient dans des tiroirs différents. Sur chacune étaient marqués les gènes liés au vieillissement cellulaire, mais les cartes ne concordaient pas : noms différents, échelles différentes, légendes différentes. Le chercheur qui voulait un gène pour son expérience devait les recouper à la main, au risque de laisser passer une annotation importante.

Un trio de jazz joue dans la pénombre d'un club. Le pianiste mène la mélodie, le contrebassiste tient le rythme, le batteur disperse ses roulements. Si l'on n'écoute que les paires de musiciens, on peut saisir comment le pianiste s'adapte à la basse ou la basse à la batterie.

Dans un aquarium de la taille d'une table de salle à manger, deux bancs de néons noirs nagent dans des compartiments voisins, séparés par une paroi transparente. Ils ne peuvent pas se toucher, mais ils voient chaque mouvement. Et voici ce qui est surprenant : quand un banc décide de tourner à gauche, l'autre fait de même un instant plus tard.

Se perdre dans une salle des glaces est un jeu d'enfant : chaque mur reflète l'autre, et l'on croit être déjà passé par là. C'est à peu près ce qui se passe dans le cerveau lorsqu'il y a beaucoup d'endroits similaires autour de soi. Les neurones chargés de la carte spatiale peuvent envoyer le même signal pour deux coins différents d'une pièce.

Le facteur distribue le courrier dans des rues à sens unique. Tant qu'il avance, son parcours est simple et prévisible. Mais si on autorisait soudain les demi-tours, il commencerait à revenir sur ses pas, à croiser ses propres traces — et le schéma de distribution deviendrait confus. C'est à peu près ce qui se passe avec une infection lorsque les gens peuvent tomber malades plusieurs fois.

Chaque nuit, le cerveau traverse plusieurs stades de sommeil, de la somnolence au sommeil profond, puis revient en arrière. Certaines transitions sont brutales, comme un interrupteur qui bascule, d'autres sont douces, comme une lente descente le long d'une pente.

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.

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.

Des cellules de vaisseau sanguin ont été ensemencées sur une membrane transparente de 700 nanomètres d'épaisseur — cent fois plus fine qu'un cheveu humain. Sous la membrane se cachent des électrodes plates.

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.

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.

Un escalier en colimaçon sur lequel roulent des billes. Les unes tournent à droite, les autres à gauche. Les marches sont disposées de telle sorte que les billes qui tournent à droite passent plus vite, tandis que celles qui tournent à gauche restent coincées. C'est à peu près ce qui se passe à l'intérieur des molécules hélicoïdales — par exemple, dans la double hélice de l'ADN.

Le cerveau évacue lui-même ses déchets : le liquide céphalo-rachidien circule dans d'étroits canaux autour des artères. Les parois de ces canaux sont souples et ondulent au rythme du pouls, tandis que le tissu est poreux, comme une éponge. Chaque battement du pouls transforme les artères en minuscules pompes qui font passer le liquide à travers les pores.

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.

Communiquer avec des neurones vivants rappelle le réglage d'une vieille radio : il faut non seulement capter la bonne fréquence, mais aussi orienter l'antenne.

Le microscope électronique est un orgue géant : au lieu des tuyaux, des lentilles électromagnétiques ; au lieu de l'air, un flux d'électrons accélérés. Autrefois, il ne faisait que dessiner des fresques muettes du monde atomique, condamnant les scientifiques à un déchiffrage épuisant.

Un patchwork où chaque pièce est un enregistrement de l'activité d'une petite région du cerveau. Une pièce a été cousue lundi à Londres, une autre mardi à New York, et une troisième il y a un mois à Tokyo. Cette mosaïque ne couvre le cerveau que partiellement, et il n'y a pas de fil commun pour les relier.

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.

Un neurone ressemble à un circuit électrique avec des piles et des résistances variables. Le rôle des résistances est joué par les canaux ioniques — des pores protéiques dans la membrane qui s'ouvrent et se ferment, laissant passer des particules chargées.

À l'intérieur de chaque cellule, un réseau complexe de gènes détermine ce qu'elle deviendra : une cellule nerveuse, musculaire ou un fragment de peau. Ce choix évoque souvent la bascule d'un interrupteur : deux positions stables, et la cellule décide de quel côté pencher. Mais les cellules possèdent une particularité rarement prise en compte dans ces modèles : elles se divisent.

Un cuisinier goûte sa sauce et comprend : il manque une pincée de sel. Mais si l'on jetait cette même pincée dans un lac, personne ne remarquerait la différence.

Une goutte d'huile dans un verre d'eau se rassemble en une sphère. À l'intérieur d'une cellule vivante, une séparation similaire se produit, mais au lieu d'huile, ce sont des protéines et des acides nucléiques qui forment des gouttes denses — des condensats.

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.

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.

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.

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.

Un paysage découpé par des routes ou des rivières en morceaux isolés évoque un appartement communautaire après l'installation de cloisons : les habitants cessent de se croiser dans le couloir commun. Les espèces qui auparavant se disputaient la même nourriture ou le même territoire vivent désormais séparément.

Garder en tête un numéro de téléphone pendant qu'on le compose, c'est la mémoire de travail. Dans le cerveau, un groupe de cellules en est responsable, qui s'envoient des signaux comme des personnes se passant un seau le long d'une chaîne. Mais chaque transmission a un coût : il faut des substances médiatrices, et elles s'épuisent.

Les jeunes systèmes planétaires ressemblent à un orchestre qui vient de commencer une répétition : tous les musiciens s'efforcent de jouer au même rythme.

La parole ressemble à un orchestre où chaque note doit retentir au bon moment. Le cerveau transforme une pensée en une chaîne de sons en une fraction de seconde, et on ignorait jusqu'ici comment il gère cette hiérarchie — des sons individuels aux syllabes et aux mots entiers.

Les microscopes modernes voient le cerveau dans ses moindres détails : non seulement les synapses elles-mêmes — les points de contact entre les neurones — mais aussi les molécules qui les composent. Ces images sont de plus en plus nombreuses et leur coût diminue.

Chaque inspiration accélère légèrement le cœur, chaque expiration le ralentit. Ce rythme, visible sur un électrocardiogramme, est appelé arythmie respiratoire. Longtemps considérée comme un simple effet secondaire du système nerveux, une nouvelle étude montre que cette coordination n'est pas un hasard, mais un moyen d'économiser de l'énergie.

Un neurone dans le cerveau ressemble à une personne qui distribue ses cartes de visite lors d'une conférence très fréquentée. Au début, il fait facilement des connaissances, mais à mesure que son carnet d'adresses se remplit, chaque nouveau contact exige de plus en plus d'efforts — il reste peu de place libre.

Un réseau de connaissances dense : chacun est lié à presque tout le monde, et dans cette toile, il est difficile de comprendre qui est vraiment important. Trop de fils — l'ordinateur s'étouffe, la modélisation patine. Des chercheurs ont trouvé comment éclaircir ces réseaux sans perdre l'essentiel. L'idée est de supprimer les connexions qui ne participent pas aux chemins les plus courts.

Le cerveau d'une souris compte environ 70 millions de neurones, et les connexions entre eux sont loin d'être réparties également : certaines cellules n'ont que quelques dizaines de contacts, d'autres en ont des milliers. C'est comme une ville avec des ruelles tranquilles et des places bondées.

La contraction musculaire est assurée par deux types de filaments protéiques : les filaments fins d'actine (carbonés) et les filaments épais de myosine, qui agissent comme des moteurs moléculaires. Au repos, une protéine-sécurité spéciale — la tropomyosine — bloque les sites de liaison de la myosine sur l'actine.

On peut modifier une cellule de manière idéale, mais elle peut néanmoins s'avérer inutile. Le gène est corrigé exactement comme prévu, mais la cellule se comporte de manière imprévisible : elle dérive, change de destinée, perd sa sécurité. C'est comme réparer un engrenage dans une montre, mais la montre continue de mal fonctionner parce que tout le mécanisme s'est déréglé.

Le cerveau ressemble à une immense ville : les quartiers-régions communiquent entre eux par des rues-voies nerveuses. Si les feux de signalisation à un carrefour tombent en panne, le trafic s'arrête. Il en va de même dans le cerveau : lorsque les faisceaux de fibres nerveuses (la substance blanche) fonctionnent mal, les régions éloignées cessent d'agir de manière coordonnée, et la pensée patine.

Dans les interstices entre les cellules du cerveau circule un liquide. Il ne reste pas en place : chaque battement du cœur le pousse en avant, et la respiration ajoute ses propres vagues. On l'a vu sur des images il y a dix ans, mais ce n'est que maintenant qu'on a calculé comment cette pulsation accélère les molécules.

Le virus s'approche de la cellule comme une clé d'une serrure. Mais cette serrure n'est pas ordinaire : elle vibre, elle tremble, et c'est de la synchronisation de la clé avec ces tremblements que dépend l'ouverture de la porte.