lundi 31 mai 2021

Les Réseaux de Neurones


Les réseaux neuronaux se forment aux premiers stades du développement du cerveau par la croissance et la migration des cellules nerveuses. Les deux processus se combinent pour organiser les ensembles synaptiques et la modularité de l'architecture cognitive.

Cellules sociales

Les neurones sont des cellules sociales qui finissent par mourir isolément. Au cours de leur développement, ils déclenchent des processus cellulaires, appelés neurites, pour établir des connexions synaptiques avec d'autres neurones et former ainsi des réseaux ou circuits de neurones.

Les neurones ne sont pas disposés au hasard dans le cerveau humain. Dans le cortex, ils sont organisés en groupes interconnectés avec une connectivité intrinsèque élevée.


Réseaux de neurones
avant l'entraînement
Réseaux de neurones
 2 mois de
stimulation cognitive
Réseaux de neurones
2 semaines de
stimulation cognitive

Ces processus s'auto-régulent : lorsqu'une connexion synaptique dépasse sa capacité de récepteur, elle cesse immédiatement de croître et abandonne même les connexions et réduit la taille du réseau neuronal.

De cette manière, le cerveau évite la surexcitation du réseau neuronal et fait en sorte que ce circuit se concentre spécifiquement sur la tâche assignée.


Synapse


Structure de la synapse


Dans le processus de synapse, la possibilité de "transmission d'informations" entre certains neurones et d'autres est établie – à partir des terminaisons où l'axone d'un neurone se ramifie vers les dendrites d'un autre –. Lorsque le stimulus – ou impulsion électrique – atteint une terminaison nerveuse, le nerf libère des neurotransmetteurs. Selon le type de neurotransmetteur libéré, les neurones récepteurs peuvent être excités s'ils reçoivent le stimulus des neurones avec lesquels ils sont connectés, ou inhibés si ladite information n'est pas reçue, générant une réponse d'un type ou d'un autre dans chaque cas.


L'influx nerveux entre par les dendrites,
est traité dans le soma et sort par l'axone


La synapse entre un neurone et un autre peut augmenter sa force, connue sous le nom de potentialisation, ou la diminuer, ce que l'on appelle la dépression. Quand ils le font pendant une longue période, ils sont appelés potentialisation à long terme et dépression à long terme.

Ainsi, les synapses peuvent être connectées, déprimées et même éliminées. L'ensemble du phénomène est connu sous le nom de plasticité synaptique à long terme, et le résultat est que les neurones sont mieux connectés, regroupés et ont tendance à déclencher des signaux électriques ensemble.

De telle sorte que certaines synapses sont renforcées et d'autres sont affaiblies, provoquant des changements dans les poids synaptiques de l'ensemble du circuit, c'est-à-dire de tous les neurones connectés. Ainsi, des voies se forment pour permettre à l'activité neuronale de circuler. En elles, les synapses affaiblies sont exclues, tandis que celles qui sont renforcées sont incluses dans la trajectoire. Par conséquent, avec ce mécanisme de changement des poids synaptiques, des microcircuits ou des réseaux neuronaux se forment.


Circuits neuronaux

Nous sommes nés avec des circuits pré-assemblés constitués de groupes de neurones qui se déclenchent simultanément ou en corrélation. De cette manière, l'activité neuronale transite d'un groupe de neurones à un autre, formant des séquences.

Dans des cas tels que l'épilepsie, on observe qu'il n'y a pas de séquence entre les neurones et qu'ils déclenchent tous des signaux électriques. Ou quand il y a une hyper-synchronisation des neurones, elle est liée à des cas de syndrome obsessionnel compulsif ou de parkinson.


Réseau neuronal simple avec deux neurones et
deux cellules gliales: astrocytes et oligodendrocytes



De cette façon, dans chacun des actes que nous accomplissons, il y a un circuit neuronal et dans ses séquences se trouvent les représentations mentales, les souvenirs et les moments. Ainsi, en se reconnectant constamment au cours de l'apprentissage et de l'expérience, certains neurones sont éliminés et d'autres recrutés dans les groupes qui composent les séquences. Autrement dit, on est né avec certains circuits, mais avoir un nouvel apprentissage en crée d'autres. Par conséquent, au moment où de nouvelles synapses se forment, il y a des changements structurels et le circuit est réorganisé. C'est ainsi que nous apprenons et c'est possible grâce à la plasticité cérébrale, qui utilise certaines synapses et en évite d'autres.

Ce processus d'organisation neuronale, qui établit un ordre dans l'architecture cérébrale, est régulé par l'activité des neurones eux-mêmes, mais jusqu'à présent, on ignorait comment le cerveau embryonnaire parvient à établir des réseaux neuronaux actifs et équilibrés, dès les premiers stades de son développement.

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Un nouveau mécanisme de formation de réseaux cérébraux

Des scientifiques de la Baylor School of Medicine au Texas, dont l'article a été publié dans Nature Neuroscience en décembre 2016, ont découvert que des réseaux inhibiteurs de cellules ou de neurones dans le cerveau se développent par un mécanisme opposé à celui suivi par les réseaux excitateurs.

Les neurones excitateurs sculptent et affinent les cartes du monde extérieur tout au long du développement et de l'expérience, tandis que les neurones inhibiteurs forment des cartes qui se développent avec la maturation.

La plupart des cartes neuronales ont été étudiées dans les circuits excitateurs du cerveau parce que les neurones excitateurs du cortex surpassent les neurones inhibiteurs. Des études de cartes excitatrices ont révélé qu'elles commencent comme un réseau de cellules diffus et se chevauchant.

En plus des réseaux excitateurs, le cerveau possède des réseaux inhibiteurs qui répondent également aux stimuli externes et régulent l'activité des réseaux neuronaux, mais le développement de réseaux inhibiteurs reste un mystère. Dans cette recherche, les scientifiques ont étudié le développement de cartes de neurones inhibiteurs dans le système olfactif de la souris.

Circuits excitateurs et inhibiteurs, développés de manière opposée

Contrairement à la vue, à l'ouïe ou à d'autres sens, l'odorat de la souris détecte les arômes discrets d'une grande variété de molécules. Les souris peuvent détecter un grand nombre d'odeurs grâce en partie à un réseau complexe de neurones inhibiteurs. Les neurones inhibiteurs sont le type de cellule le plus abondant dans la zone du cerveau de la souris dédiée au traitement des odeurs et pour soutenir ce réseau, des neurones inhibiteurs nouveau-nés sont continuellement ajoutés et intégrés dans les circuits.

Les chercheurs ont suivi les trajectoires de ces neurones nouvellement ajoutés au fil du temps pour déterminer comment les circuits inhibiteurs se développent. Premièrement, ils ont génétiquement étiqueté les cellules pour qu'elles brillent lorsque les neurones étaient actifs. Ils ont ensuite offert des odeurs individuelles aux souris et ont enregistré visuellement au microscope les zones ou les réseaux du cerveau qui brillaient pour chaque odeur que l'animal vivant et anesthésié sentait. Les scientifiques ont répété l'expérience plusieurs fois pour déterminer comment les réseaux changeaient au fur et à mesure que le rongeur apprenait à identifier chaque odeur.

Les chercheurs s'attendaient à ce que les réseaux inhibiteurs mûrissent de la même manière que les réseaux excitateurs ; c'est-à-dire que plus l'animal ressentait une odeur, mieux les réseaux d'activités seraient définis. De manière surprenante, ils ont constaté que les circuits cérébraux inhibiteurs du sens de l'odorat chez la souris se développent de manière opposée aux circuits excitateurs. Au lieu de devenir des zones étroitement définies, les circuits inhibiteurs s'élargissent.

Ils pensent que les réseaux inhibiteurs travaillent main dans la main avec les réseaux excitateurs. Plus précisément, ils proposent que l'interaction entre réseaux excitateurs et inhibiteurs puisse être comparée à un réseau routier – réseaux excitateurs – dont le trafic est régulé par un réseau de feux tricolores – réseaux inhibiteurs –. Les auteurs suggèrent que la formation de cartes neuronales utiles dépend des réseaux inhibiteurs qui conduisent au raffinement des réseaux excitateurs et que ces nouvelles informations seront essentielles pour développer de nouvelles approches de réparation des tissus cérébraux.

Cette découverte ajoute une nouvelle pièce au puzzle de la façon dont le cerveau organise et traite les informations.


Comment les réseaux de neurones se forment dans le cerveau : Découverte

Des neuroscientifiques de l'Université de Fribourg dans une nouvelle recherche, publiée dans la revue en ligne eLife d'octobre 2019, ont découvert comment cet exploit cérébral est réalisé : il est le résultat de l'interaction de deux processus neuronaux différents.

L'un de ces processus est la croissance des neurones, qui suit des modèles spécifiques. L'autre processus est la migration des neurones dès la naissance à l'occupation de la place spécifique assignée dans l'organisation cérébrale.

Cette recherche a permis de déterminer que l'interaction entre les deux processus est ce qui permet au cerveau de construire les réseaux neuronaux qui soutiennent les processus cognitifs.

Cette interaction organise non seulement les neurones en ensembles synaptiques qui fonctionnent comme des unités individuelles, mais établit également la modularité du réseau neuronal, qui est la capacité de subdiviser une fonction en parties plus petites – appelées modules – pour exécuter des fonctions spécifiques avec une plus grande efficacité.

Connexion synaptique entre deux neurones

La nouvelle recherche a pu établir, grâce à des simulations informatiques, que pour créer de nouveaux réseaux de neurones, les cellules nerveuses développent non seulement des processus biologiques pour établir des connexions synaptiques – les neurites –, mais aussi migrent vers d'autres neurones pour augmenter la probabilité de connexions. Dans les simulations, les scientifiques ont montré que la migration et la croissance des neurites peuvent interagir pour façonner des architectures de réseau spécifiques.

Cette interaction entre les processus de croissance et de migration est ce qui régule la relation entre la connectivité locale au sein des clusters – un ensemble de groupes – et la connectivité entre les clusters à longue portée et, par conséquent, le degré de modularité du réseau neuronal. Grâce à cette interaction, les modèles spatio-temporels de l'activité neuronale sont générés, qui sont cruciaux pour le développement du cortex cérébral.


Modèle de développement de réseaux dépendant de l'activité


Les stratégies de câblage neuronal peuvent impliquer l'expansion des champs de neurites et la migration vers d'autres neurones pour augmenter la connectivité modélisée comme des champs de neurites qui se chevauchent. (A)  Fonction de transfert de la dépolarisation de la membrane entre le pic et le potentiel de repos à des cadences de tir cible. Ligne pointillée : cadence de tir cible. (B) La croissance des neurites (orange) et la migration (verte) ont été modulées en fonction de [Ca2 +] i qui correspondait aux taux d'activation moyens. Les neurites ont grandi alors que le taux de tir (correspondant à l'influx moyen de Ca2 + à long terme) était inférieur à la cible et ont été élagués lorsqu'il était au-dessus. Le taux de migration a diminué à mesure que les neurones s'approchaient du taux de déclenchement cible (ligne pointillée). (C) La zone de chevauchement du champ de neurites, correspondant à la connectivité dans le modèle, peut être augmentée par la croissance des neurites et la migration neuronale vers les neurones voisins (D).

Les scientifiques ont testé les prédictions du modèle informatique en étudiant comment la migration cellulaire, la croissance des neurites et l'activité neuronale interagissent réellement dans le développement de réseaux de neurones corticaux chez des rats de laboratoire.

Pour observer et moduler la migration cellulaire dans ces réseaux, ils ont manipulé une enzyme particulièrement impliquée dans la régulation du cytosquelette neuronal des rats. Et ils ont observé que, de la même manière qui s'était produite dans leurs simulations, la migration cellulaire et la croissance neuronale favorisaient la connectivité modulaire dans le cerveau des rats de laboratoire.

Ils ont également observé que le regroupement des neurones dans un réseau conduisait d'abord à la génération d'activité cérébrale puis à l'augmentation de cette activité initiale, confirmant ainsi qu'il s'agissait d'un nouveau réseau de neurones opérationnel.

Enfin, ils ont constaté que l'augmentation de l'activité du réseau neuronal était contrôlée par un canal calcique qui maintient l'équilibre entre la croissance de la dynamique neuronale et la surexcitation.

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Neurogenèse

La neurogenèse fait référence à la naissance et à la prolifération de nouveaux neurones dans le cerveau. Il s'agit d'un processus courant au stade embryonnaire. Cependant, de nouvelles études scientifiques ont conclu que cette formation de nouvelles cellules neuronales peut se produire à l'âge adulte. Il a également été prouvé que ce processus, à l'âge adulte, a un rôle limité, il ne serait donc pas en mesure de résoudre de graves lésions cérébrales.

Processus de neurogenèse

Il se produit dans la zone sous-ventriculaire, bien que le point le plus élevé de formation de neurones se trouve dans la zone sous-glandulaire du gyrus denté de l'hippocampe.

Cette partie de l'hippocampe est située dans le lobe temporal, faisant partie du système limbique. Les fonctions de l'hippocampe sont bien connues et sont liées à la mémoire, à l'apprentissage, aux émotions et à l'orientation spatiale.

Nous générons de nouvelles cellules neuronales à l'âge adulte et il est très important de favoriser leur création. Cette importance réside dans le fait qu'elles interviennent dans les processus liés à l'apprentissage et à la mémoire.

L'apprentissage et la mémoire sont deux processus cognitifs d'une importance vitale pour la survie humaine. Diverses structures cérébrales sont impliquées dans sa régulation, l'hippocampe en faisant partie.

L'hippocampe est la zone du cerveau où sont produits la plupart des nouveaux neurones, qui ont la capacité de s'intégrer dans les réseaux neuronaux de cette zone, régulant les fonctions cognitives liées à l'hippocampe.

Plasticité

La plasticité est une capacité des systèmes organiques, en particulier des mammifères, qui leur permet de s'adapter aux changements de l'environnement pour survivre. Le système nerveux des mammifères a une plasticité très développée dans les premiers stades de développement, prouvée par le plus grand nombre de neurones qui apparaissent. Cet apprentissage et cette mémoire sont des événements qui favorisent la plasticité.

Par conséquent, apprendre quelque chose de nouveau ne sera pas seulement important pour connaître une compétence, mais c’est aussi le moyen d'acquérir ce nouveau matériel neuronal. Toute activité qui consiste à apprendre quelque chose de nouveau peut favoriser la formation de ce nouveau réseau de neurones.

Comment faire former ces nouveaux neurones ?

L'exécution d'une activité nouvelle et inconnue peut augmenter le réseau dendritique. Toute activité qui maintient l'esprit actif peut aider dans ce processus de neurogenèse, de l'apprentissage d'une nouvelle langue à l'exercice physique, peut ralentir le déclin cognitif causé par l'âge.

Tout comme nous pouvons faire en sorte que ce processus ait lieu, il existe de nombreuses autres activités qui peuvent affecter négativement cette neurogenèse et, qui plus est, peuvent accélérer la perte de neurones. La consommation de tabac, d'alcool et d'autres drogues fait varier cette plasticité synaptique et, pas seulement, les problèmes qui nous affectent chaque jour, comme la pollution, produisent une mort excessive des neurones.

Le moyen le plus efficace de favoriser la naissance de nouvelles cellules neuronales est l'exercice, à la fois physique et mental.


Voir aussi…

Réseau de neurones artificielles (ANN) en intelligence artificielle

Les Neurosciences des réseaux

Bases neurologiques de l'intelligence humaine

Renforcer la connectivité du cerveau

Circuit neuronal entre les neurones sociaux et les neurones de l'auto-toilettage lié au comportement autistique

Recherche sur la régénération neuronale du cerveau


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