Le Cerveau de l'Enfant et de l'Adolescent: mars 2015

lundi 30 mars 2015

Le Système Glymphatique Nettoie le Cerveau

Le cerveau dispose d'un système d'élimination des déchets qui s'active surtout durant le sommeil

Comme tous les organes, le cerveau consomme de l’énergie et des nutriments et il produit des résidus plus ou moins toxiques issus de cette activité métabolique. Par conséquent, durant l’éveil, le cerveau accumule des déchets dus à l’activité des neurones.

Éliminer les déchets est une activité primordiale pour assurer le bon fonctionnement d'un organe. Le cerveau, très actif, n'y fait pas exception. Mais du fait de la barrière hémato-encéphalique qui le protège des grosses molécules qui pourraient l'agresser, il faut parvenir à la contourner pour se débarrasser des protéines qui pourraient s'entasser.

Maiken Nedergaard et Jeffrey Iliff

Des chercheurs de l’University of Rochester Medical Center – dirigés par Maiken Nedergaard et Jeffrey Iliff – dans une étude publiée dans la revue Science Translational Medicine en août 2012, puis en juillet 2013 dans Science, montrent que des cellules du cerveau rétrécissent pendant le sommeil afin de créer des espaces – l’espace interstitiel – entre les neurones et permettre au fluide de «laver» le cerveau.

Jusqu’alors, on pensait que le nettoyage du cerveau se faisait exclusivement par diffusion passive du liquide céphalo-rachidien depuis les ventricules cérébraux, un mécanisme d’évacuation très lent pour un organe aussi actif que le cerveau.

Cette nouvelle étude apporte la preuve que nous avons besoin d’une certaine quantité de sommeil chaque nuit, car le cerveau se sert de cette période pour se débarrasser des sous-produits métaboliques toxiques qui, autrement, s’y accumuleraient et perturberaient les fonctions du cerveau, détruisant les neurones et pouvant potentiellement causer des troubles neuro-dégénératifs.

L’équipe de chercheurs pense que ce système d’élimination des déchets est l’une des raisons fondamentales du sommeil. Ils suggèrent notamment qu’un défaut dans ce système, qui empêcherait de balayer certaines protéines toxiques, peut jouer un rôle dans les troubles du cerveau. Cette étude laisse croire que le «ménage» peut être une des raisons principales dans le rôle du sommeil.

Les chercheurs ont eu recours à une technique récente, appelée microscopie à 2 photons, qui permet de visualiser en temps réel les flux de sang et du liquide céphalo-rachidien dans le cerveau d’un animal vivant.

Canal 'glymphatique' entourant une artère cérébrale.
Le liquide céphalo-rachidien (en vert)
circule dans un canal glymphatique
entourant la paroi d'une artère cérébrale

Cette étude complète les connaissances sur le cerveau, essentiellement sur la raison physique et chimique réelle de sommeil, et le rôle de l’espace interstitiel. Sur le mécanisme et les conditions qui conduisent à la perte de cellules du cerveau ; comme dans le cas de la Maladie d’Alzheimer ou la Maladie de Parkinson, qui se caractérisent par l’accumulation de protéines endommagées dans le cerveau.

On peut s’étonner qu’un système aussi fondamental pour le bon fonctionnement cérébral ait pu jusque-là échapper à la sagacité des chercheurs. La principale raison est que ce système glymphatique ne fonctionne que dans un cerveau vivant et uniquement lorsqu’il est intact : il était impossible de l’observer sur des cerveaux prélevés post-mortem et les procédés de visualisation disponibles ne permettaient pas jusqu’à peu de le détecter chez des sujets vivants.

Le système Glymphatique : Le "tout-à-l’égout" du cerveau

Dans l'organisme, le système lymphatique est le système responsable de l'élimination des déchets cellulaires. Un liquide appelé lymphe baigne les cellules et les tissus du corps, recueille les déchets cellulaires et les décharges dans la circulation sanguine pour être filtrés par le corps. Cependant, le système lymphatique ne comprend pas le cerveau. Il a son propre écosystème interne et il est entouré par la barrière hémato-encéphalique, qui contrôle ce qui entre et sort de l’organe. Ces caractéristiques sont longtemps restées une énigme pour les scientifiques.

Le système glymphatique est constitué de cellules gliales en forme d’étoile appelées astrocytes, qui forment un réseau de canaux d’eau entourant les vaisseaux sanguins du cerveau.

Les cellules gliales qui maintiennent les cellules nerveuses en vie, rétrécissent pendant le sommeil. Cela augmente la taille de ce que l’on nomme «l’espace interstitiel», des écarts entre les tissus du cerveau, ce qui permet plus de fluidité pour un lavage des toxines. Les chercheurs indiquent que cette fonction est vitale pour rester en vie, et qu’elle ne semble pas être possible alors que l’esprit est éveillé. L’équipe ne sait pas très bien pourquoi l’espace augmente pendant le sommeil, mais ils théorisent que les cellules du cerveau se rétrécissent.

Le liquide céphalo-rachidien
par un processus de diffusion,
conduit les déchets et les nutriments
aux tissus du cerveau

Le liquide céphalo-rachidien (LCR) circule dans le cerveau le long des canaux qui entourent les artères. Le liquide “nettoie” ensuite en passant à travers les tissus du cerveau et se mélange avec le liquide interstitiel rempli de déchets qui entoure les cellules du cerveau. Enfin, le LCR s’accumule dans les canaux à travers les veines et il est évacué du cerveau, emportant avec lui les déchets métaboliques.

En pompant le liquide céphalorachidien à travers les tissus du cerveau, le système glymphatique évacue les déchets, à partir du cerveau et les renvoie dans le système circulatoire du corps. De là, les déchets atteignent le foie, où ils sont finalement éliminés.

Le cerveau ne dispose que d’une énergie limitée à sa disposition et il doit choisir entre deux états fonctionnels différents, soit éveillé et conscient ou endormi et en phase de nettoyage.

Les conclusions des chercheurs s’appuient sur la découverte de ce réseau du cerveau spécifique, qui transporte les déchets sur le cerveau – sorte de tout-à-l’égout du cerveau.

Selon les chercheurs le système glymphatique est non seulement plus rapide, mais il permet également d’atteindre des zones plus reculées du tissu cérébral. Étant donné l’intense métabolisme du cerveau et son extrême sensibilité, il n’est pas étonnant que son mécanisme d’évacuation des déchets soit plus spécialisé et étendu que ce que l’on pensait auparavant.

La barrière hémato-encéphalique – Un complexe dispositif de défense

La barrière hémato-encéphalique est une barrière anatomique qui filtre et contrôle le passage des substances sanguines et les empêche de passer librement du sang au liquide céphalo-rachidien.

Elle est constituée d’une paroi vasculaire continue entourée de prolongements de cellules gliales astrocytaires qui s’y arriment pour former une enveloppe supplémentaire. Ces deux parois, vasculaire et gliale, exercent une fonction de sélection et assurent le tri des substances admises dans le parenchyme cérébral. Très étanche, cette barrière est constituée de cellules jointives soudées les unes aux autres.

Dans les méninges, ces barrières présentent des espaces très minces qui permettent à de très petites molécules de s’infiltrer. Habituellement, les protéines de taille normale ne passent pas à travers ces deux barrières, sauf lors d’une inflammation, où ces jointures entre les cellules s’élargissent.

Cependant, même aujourd'hui c’est relativement peu ce que l’on sait sur la barrière hémato-encéphalique. Depuis les découvertes de Lewandowsky et des bactériologistes Ehrlich et Goldmann pendant la première décennie du XX^e siècle, ce se sont encore écoulé six décennies jusqu'à ce que la situation exacte de la barrière fût localisée – dans les cellules capillaires endothéliales – grâce au microscope électronique.

Une nouvelle voie contre les maladies neuro-dégénératives

Bien que leur étude porte sur des cerveaux de souris, les auteurs pensent qu’un système identique existe chez l’homme dont le cerveau est très proche de celui du petit rongeur, du moins sur le plan physiologique. Cette découverte pourrait avoir d’importantes applications thérapeutiques, notamment dans le traitement des pathologies neuro-dégénératives, telles les maladies d’Alzheimer ou de Parkinson. La maladie d’Alzheimer et d’autres maladies neuro-dégénératives sont associées non seulement à l’accumulation de ses déchets, mais aussi au manque de sommeil.

Plaques amyloïdes

Les chercheurs ont ainsi constaté que plus de la moitié des agrégats de bêta-amyloide – une protéine qui s’accumule dans le cerveau des patients souffrant d’Alzheimer – sont éliminés via le système glymphatique. Si le système glymphatique ne parvient plus à nettoyer le cerveau comme il devrait le faire, soit en raison du vieillissement, soit suite à un traumatisme, les déchets vont s’accumuler dans le cerveau. Augmenter l’activité du système glymphatique permettrait probablement de prévenir l’accumulation des dépôts amyloïdes, voire offrirait un moyen de liquider les agrégats accumulés lorsque la maladie d’Alzheimer est déjà établie.

Protéine bêta-amyloïde

Ces protéines s’amoncellent dans le cas de la maladie d’Alzheimer et contribuent à la mort des neurones. En phase de sommeil, leur élimination est deux fois plus rapide que durant l’éveil.

Les chercheurs ont injecté la bêta-amyloïde dans le cerveau de souris saines et de souris génétiquement modifiées pour désactiver leur système glymphatique. Alors que les souris normales sont capables d’éliminer rapidement la protéine de leur tissu cérébral, les souris privées de système glymphatique mettent beaucoup plus de temps.

La protéine bêta-amyloïde,
dont on voit la structure tridimensionnelle,
s'accumule dans les cerveaux des patients
atteints de la maladie d'Alzheimer

Cela pourrait expliquer pourquoi de nombreux troubles neurologiques sont associés à des troubles du sommeil. Un déficit de repos pourrait directement être impliqué, en facilitant l’accumulation de protéines nocives, comme les bêta-amyloïdes, mais également l’alpha-synucléine, impliquée quant à elle dans la maladie de Parkinson.

D’autres questions interpellent les chercheurs. D’abord, ils pensent que ce lavage du cerveau contribue à la récupération. Mais dans quelle mesure l’accumulation des résidus du métabolisme intervient-elle dans la sensation de fatigue ? D’autre part, comment les canaux des cellules gliales changent-ils de conformation durant le sommeil ? Si les chercheurs semblent avoir décrit l’une des fonctions du sommeil, il se pourrait sûrement que celle-ci ne soit pas la seule. L’enquête est donc bien loin d’être terminée.

Ainsi, augmenter l’activité du système glymphatique pourrait aider à prévenir les dépôts amyloïdes, concluent les auteurs qui espèrent que leurs résultats auront des implications pour de nombreuses maladies neurologiques, de l’Alzheimer ou Parkinson aux accidents vasculaires cérébraux.

Dormir permet au cerveau de se nettoyer

Si l’on sait précisément en quoi il est utile que le cœur batte ou quels avantages procure la respiration, le rôle du sommeil reste bien plus difficile à définir. On l’associe à la récupération, mais également au renforcement de la mémoire de la journée ainsi qu’à la régulation du métabolisme du système immunitaire. Pourtant, sa fonction est cruciale. Car des insectes aux mammifères, en n'oubliant pas les autres espèces animales, tout le monde ou presque dort. Les hommes passent entre un quart et un tiers de leur vie à se reposer. Il a été démontré que le sommeil joue un rôle essentiel dans la fixation des souvenirs et de l’apprentissage dans le cerveau.

Le cerveau pèse environ 1 400 des grammes. Il consomme autour de 300 kilocalories par jour. C'est un organe complexe. Il fonctionne comme le moteur du corps, mais la routine, le stress quotidien, la mauvaise alimentation, la vie sédentaire et le manque de bonnes habitudes de sommeil peuvent l'affecter peu à peu. Pendant son fonctionnement quotidien il génère des symptômes en chaîne : des céphalées ou des douleurs à la tête, au cou et au dos, une vision trouble, de bourdonnements, du mal au cœur, de l’anxiété et même une dépression. Pour un fonctionnement correct, les parois des artères doivent être totalement libres des substances qui empêchent une bonne circulation cérébrale. Ces obstacles sont les toxines. L'une d'elles, la prostanglandine provoque une inflammation des artères.

Plusieurs stimuli peuvent générer cette intoxication: des impulsions visuelles, le fait de passer beaucoup de temps en face d'un ordinateur; auditifs, le bruit de la circulation véhiculaire, l'utilisation d'écouteurs à un volume trop fort; olfactifs, de très fortes odeurs comme l’essence ou d’autres produits chimiques; et les stimuli gustatifs, consommation excessive de nourriture transformée ou de produits en boîte et surgelés.

Le simple fait de bien dormir aide à éliminer toutes ces ordures cérébrales tel qu’il a été révélé dans l'investigation de Rochester. Grâce à l’analyse par imagerie réalisée sur les cerveaux de souris, les résultats ont montré que pendant le sommeil le système glymphatique est devenu dix fois plus actif que pendant l'état de veille. Simultanément, la taille des cellules du cerveau est réduite d'environ 60 per cent. Cela crée plus d'espace entre les cellules, donnant d'accès au liquide céphalo-rachidien pour éliminer les déchets et toxiques.

Comme un concierge balayant les couloirs quand la lumière s'éteint, dans le cerveau se produisent pendant le sommeil de grands changements lui permettant d'expulser les ordures et d'éloigner la maladie. Jusqu'à présent on n'avait pas un bien compris que le sommeil répond à une fonction essentielle et vitale de l'évolution.

Les chercheurs se demandèrent s’il y avait des différences entre le sommeil et l’éveil dans le système glymphatique. Évacuer les toxines peut être difficile, voire inefficace si le cerveau reçoit des informations sensorielles et autres.

Le flux du liquide céphalo-rachidien et la taille de l’espace interstitiel augmentent pendant le sommeil, mais pour savoir si le cerveau est capable d’éliminer davantage de déchets, ils ont injecté la protéine bêta-amyloïde dans le cerveau en sommeil et à l’éveil des souris. Le système glymphatique a évacué les déchets deux fois plus vite dans les cerveaux en sommeil qu’en état d’éveil.

Pendant l’éveil le cerveau est stimulé et actif après la libération d’un composé organique appelé noradrénaline. Ce neurotransmetteur n’est pas très actif pendant le sommeil, mais il est libéré lorsque le cerveau a besoin d’être vigilant, par exemple, face à la peur et à d’autres stimuli externes. Les chercheurs suggèrent que la noradrénaline pourrait jouer un rôle dans la régulation des écarts entre les cellules du cerveau.

Toute la physiologie change durant le sommeil. La nouveauté c'est le rôle de l'espace interstitiel mais ce n'est qu'une nouvelle pièce du puzzle, pas tout le mécanisme. Cela montre une fois de plus que le sommeil peut contribuer à la restauration de la fonction des cellules du cerveau et peut avoir des effets protecteurs.

Cette découverte pourrait faire avancer la compréhension des fonctions biologiques du sommeil, expliquerait pour quoi nous passons un tiers de nos vies à dormir et pourrait permettre de trouver des traitements contre des maladies neurologiques.

Un dysfonctionnement dans le système de nettoyage serait lié au processus neuro-dégénératif

Une étude de l’Université autonome de Barcelone et de l’Université Ludwig Maximilian de Munich, publiée dans la revue Science Translational Medicine en juillet 2014, décrit le mécanisme moléculaire par lequel les formes mutées de la protéine TREM2 empêchent le processus de nettoyage des déchets.

Il s’agit de la protéine TREM2 dont les niveaux réduits sont associés au risque maladies neuro-dégénératives telles que la maladie d’Alzheimer ou d’autres formes de démence.

Le gène TREM2 est exprimé principalement dans les cellules cérébrales macrophages ou en charge de la phagocytose et de l’élimination des déchets cellulaires, les cellules micro-gliales. Parmi les déchets à éliminer se trouvent les agrégats de protéines et de fibres amyloïdes spécifiques de la maladie d’Alzheimer.

Les résultats suggèrent que la protéine TREM2 joue un rôle fondamental dans l’élimination des amyloïdes et des autres agrégats de protéines et que son dysfonctionnement accélère les processus neuro-dégénératifs.

Ne pas dormir détruirait les neurones

Une étude de l’École de médecine de l’université de Pennsylvanie et de l'université de Pékin publiée par le Journal of Neuroscience en mars 2014, révèle que le manque de sommeil pourrait avoir comme conséquence la perte de neurones.

Selon les chercheurs, c’est la première fois que l'on prouve que le manque de sommeil peut conduire à une perte de cellules du cerveau. Il s’agit des neurones locus cœuruleus. Leur disparition accélèrerait le développement de maladies comme Alzheimer ou Parkinson.

Le manque de sommeil sur une durée prolongée est lié aux dommages, ou à la perte, de ces neurones essentiels pour la vivacité et pour des capacités cognitives optimales.

Cette nouvelle étude montre des preuves inquiétantes que la perte de sommeil chronique pourrait être plus sérieuse que ce que l’on pouvait croire jusqu’alors, et pourrait même conduire à des dommages physiques irréversibles et une perte de neurones.