Les études sur la plasticité cérébrale nous disent que notre cerveau est capable de changer sa structure et sa configuration tout au long de la vie en fonction de nos expériences avec l'environnement.
Notre cerveau change constamment, même chez les adultes et les personnes âgées. Et nous pouvons stimuler ces modifications en exerçant notre cerveau par l'activité cognitive et sensorielle, l'exercice physique, les émotions, la nutrition, etc.
Comment se produit la plasticité cérébrale
Des scientifiques du MIT découvrent le mécanisme de la plasticité cérébrale
Le travail qu'ils ont réalisé est extrêmement complexe. Lorsqu'une connexion, appelée synapse, devient plus forte, les synapses voisines s'affaiblissent en raison de l'action d'une protéine appelée Arc. La découverte de cette règle fondamentale de la plasticité cérébrale explique comment le renforcement et l'affaiblissement synaptiques se combinent dans les neurones pour produire la plasticité.
Récepteurs AMPA. On les trouve principalement dans la membrane post-synaptique et dans la membrane des dendrites. Ils permettent une transmission synaptique chimique rapide entre les neurones du système nerveux central.
Une fois la règle vérifiée, les chercheurs ont voulu connaître le mécanisme par lequel les neurones lui obéissent. Pour ce faire, ils devaient être capables d'observer comment les récepteurs AMPA, qui sont essentiels dans les synapses, changent. À l'aide d'une étiquette chimique, ils ont découvert que l'élargissement et le renforcement des synapses étaient corrélés à une expression accrue des récepteurs AMPA, tout comme le rétrécissement et l'affaiblissement des synapses étaient corrélés à une diminution de l'expression des récepteurs AMPA. La protéine qui régule l'expression de l'AMPA est la protéine Arc.
Origine de la protéine Arc. La protéine possède des propriétés similaires à celles utilisées par les virus pour infecter les cellules hôtes et provient d'un événement évolutif fortuit qui s'est produit il y a des centaines de millions d'années. L'histoire d'origine d'Arc est transmise à travers les génomes des animaux tout au long de l'évolution. Il y a 350 à 400 millions d'années, un événement fortuit a frappé des créatures à quatre membres qui parcouraient la terre. Un ancêtre des rétrovirus, appelés rétrotransposons, a inséré son matériel génétique dans l'ADN des animaux. L'événement a conduit à l'Arc des mammifères que nous connaissons aujourd'hui.
Une fois que les virus ont envahi les cellules hôtes, ils émergent prêts à infecter une fois de plus. Il semble qu'Arc fonctionne de la même manière. Les scientifiques ont collecté l'Arc qui avait été libéré des neurones de souris et ont déterminé que les protéines et leur cargaison pouvaient être absorbées par un autre ensemble de neurones. Contrairement aux virus, l'activation des neurones mobilise Arc, ce qui déclenche la libération des capsides (structures qui entourent l'acide ribonucléique).
L'équipe a utilisé une étiquette chimique – qui a dû être développée par des scientifiques au Japon, car aucune n'avait jamais été fabriquée pour le cerveau d'un animal vivant auparavant – qui leur a permis d'observer que les synapses renforcées étaient entourées de synapses affaiblies qui avaient enrichi l'expression de l'Arc, et que le renforcement des synapses augmente la protéine pour affaiblir les synapses voisines. En d'autres termes, Arc est la protéine qui maintient l'équilibre des ressources synaptiques.
Des changements moléculaires dans les synapses peuvent régénérer le cerveau
Cette recherche constitue une étape clé pour comprendre comment les neurones et les autres cellules cérébrales communiquent, ainsi que pour approfondir des aspects inconnus des synapses. Tout cela pourrait aider à identifier de nouveaux traitements visant à lutter contre les affections neurologiques et psychiatriques.
Rôle des messagers moléculaires dans les synapses
Les cellules nerveuses du cerveau humain sont connues pour communiquer entre elles en formant des connexions appelées synapses. En les synapses, des molécules sont libérées dans le but d'envoyer des signaux à la cellule suivante, créant ainsi un réseau complexe qui rend certaines fonctions possibles.
À mesure que de plus en plus de circuits ou de réseaux de synapses se détériorent, la façon dont les gens développent leurs capacités de réflexion ou effectuent des tâches quotidiennes change complètement, diminuant la qualité de leurs réponses. Au fil du temps, cela entraîne des troubles cognitifs tels que la démence ou peut entraîner des pathologies mentales profondes et des conséquences psychosociales, telles que l'anxiété.
"Traduire" l'ARN pour activer les synapses
Les progrès réalisés par les scientifiques reposent sur l'identification de certaines des bases moléculaires qui conditionnent les marqueurs génétiques, qui jouent un rôle central dans l'activation des synapses, puisqu'ils fonctionnent comme des "messagers", envoyant des signaux pour démarrer ou arrêter tous ces processus.
La fonction des cellules nerveuses et des synapses est fortement conditionnée par les protéines qui sont fabriquées à l'aide d'informations codées dans le matériel génétique, en particulier dans ce que l'on appelle l'ARN ou l'acide ribonucléique.
L'ARN est placé exactement au bon endroit et au bon moment pour la signalisation synaptique, grâce à une sorte de "tag" qui fonctionne comme un "messager", pour obtenir l'activation correcte des synapses. Si certaines molécules sont ajoutées à l'ARN, en particulier les groupes dits méthyles, tout ce mécanisme d'horlogerie qui facilite les synapses peut être modifié.
Le mécanisme de la plasticité synaptique
Les scientifiques ont découvert que l'ajout de groupes méthyle peut influencer les protéines qui se lient à l'ARN et stopper la production de protéines, vitales pour la dynamisation des synapses. Dans le même temps, cependant, le marquage de l'ARN peut être inversé au niveau des synapses et agir ainsi comme une "étiquette synaptique" qui laisse libre cours au développement de réseaux et de connexions, augmentant les fonctions cérébrales associées.
En revanche, la modification ou l'inversion des marqueurs peut être utile pour accélérer les synapses et même "régénérer" des fonctions que le cerveau a cessé d'effectuer. Par conséquent, le développement des techniques indiquées pourrait conduire à de nouvelles stratégies thérapeutiques qui parviennent à améliorer les conditions négatives liées aux pathologies neuro-dégénératives, entre autres possibilités.
Des synapses artificielles pour un nouveau cerveau
Une équipe de chercheurs de l'Université hébraïque de Jérusalem dans une étude, publiée dans Cell Systems de décembre 2020, démontre qu'il est possible de remplacer les connexions neuronales endommagées par l'introduction de synapses conçues synthétiquement et pourrait être la première étape vers la réparation génétique du cerveau humain.
On sait que les synapses ou connexions entre neurones sont fondamentales pour l'établissement de réseaux de neurones qui permettent de préciser les différentes fonctions cérébrales, comme celles liées à la mémoire ou à l'apprentissage. Lorsqu'une lésion cérébrale survient pour une raison quelconque ou que les symptômes d'une maladie neuro-dégénérative sont présents, l'une des premières manifestations est la perte de synapses ou de connexions neuronales.
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Le ver C. elegans pourrait détenir la clé de la récupération génétique des circuits cérébraux endommagés |
Les neuroscientifiques ont conçu un réseau neuronal synthétique destiné à remplacer les circuits endommagés dans les vers translucides C. elegans, entraînant la récupération des fonctions perdues. Dans ce cas, l'objectif était de récupérer la sensibilité olfactive perdue en raison de lésions cérébrales.
La voie génétique
Cette nouvelle étude ouvre une voie potentielle pour traiter les lésions cérébrales d'un autre point de vue, à la fois dans le cas d'effets physiques directs tels que les traumatismes ou les accidents vasculaires cérébraux ou les maladies neurologiques.
D'autre part, les chercheurs ont souligné que, bien que l'espèce choisie pour l'étude ait un système nerveux très simple, c'est une excellente alternative étant donné qu'il s'agit d'un organisme multicellulaire qui partage différentes similitudes avec l'homme.
En conclusion, ils pensent qu'un jour, il sera possible d'appliquer des thérapies géniques basées sur le câblage synthétique du cerveau humain comme traitements potentiels pour les lésions et maladies cérébrales dévastatrices.
Désormais, les spécialistes procéderont à des tests plus approfondis de l'impact biologique des connexions neuronales génétiquement insérées, en plus d'appliquer l'approche à d'autres circuits neuronaux et à d'autres organismes.
Des ingénieurs conçoivent des synapses artificielles pour le hardware
Les ingénieurs du MIT, dont l'étude a été publiée dans la revue Nature Materials de janvier 2018, conçoivent des synapses artificielles pour le hardware "cerveau sur puce".
La synapse artificielle a été conçue de telle sorte que la force d'un courant électrique qui la traverse puisse être contrôlée avec précision, de la même manière que les ions circulent entre les neurones. L'équipe a construit une petite puce avec des synapses artificielles, fabriquées à partir de silicium germanium. Lors de simulations, les chercheurs ont découvert que la puce et ses synapses pouvaient être utilisées pour reconnaître des échantillons d'écriture manuscrite, avec une précision de 95%.
La conception est une étape importante vers la création de puces neuromorphiques portables à faible consommation d'énergie pour une utilisation dans la reconnaissance de formes et d'autres tâches d'apprentissage.
Le cerveau synthétique est la nouvelle frontière de l'Intelligence Artificielle
Le but est d'utiliser du hardware évolutif pour créer un "cerveau incarné" dans un corps mécanique capable d'imiter la capacité des êtres vivants à modifier leur comportement en fonction de l'expérience acquise.
Pour le moment, le cerveau synthétique n'est qu'une hypothèse qui laisse ouverte la question de savoir si l’on veut vraiment le construire et, si c'est le cas, la question de savoir si l’on devrait le faire.
Rôle du sommeil dans la neuro-plasticité
Veille et sommeil
Lorsque nous sommes éveillés, nous apprenons constamment, nous savons donc que de nombreux espaces synaptiques sont potentialisés. C'est quelque chose qui utilise beaucoup d'énergie et comme c'est limité, le corps a besoin de réduire l'excès de potentialisation. C'est là que le sommeil a son rôle fondamental, selon la théorie la plus largement acceptée à ce jour : l'hypothèse de l'homéostasie synaptique.
L'homéostasie signifie équilibre, donc cette hypothèse propose que la fonction principale du sommeil est de rétablir l'équilibre des espaces synaptiques, c'est-à-dire de réduire la potentialisation qui se produit pendant la journée.
Mais réduire la potentialisation, c'est comme oublier ce que l’on a appris, cela semble n'avoir aucun sens. Cependant, le retour à l'équilibre pendant le sommeil ne se produit pas de manière égale dans tous les neurones, mais se produit plutôt de manière sélective. Les synapses qui sont plus fortes pendant la journée seront protégées et s'affaibliront moins, et les synapses qui ont été moins renforcées s'affaibliront beaucoup plus.
Une sélection spécifique pendant le sommeil pour affaiblir les synapses assure la survie des circuits "les plus aptes".
Ces caractéristiques peuvent expliquer les bienfaits du sommeil sur la mémoire
Acquisition de la mémoire. L'un des principaux effets du sommeil est d'augmenter la capacité d'acquérir de nouveaux souvenirs. Avec le retour à l'équilibre produit par le repos, nous avons plus d'énergie disponible pour en apprendre plus le lendemain.
Extraction d'idées. Les neurones qui contiennent des souvenirs plus durables et complexes, comme la reconnaissance des visages, subissent des réactivations ponctuelles pendant le sommeil, pour éviter leur affaiblissement.
Intégration. Lorsqu'un nouveau souvenir correspond aux schémas que nous avons déjà appris, ils se protégeront également en s'activant pendant le sommeil.
Oubli. Les souvenirs de détails sans importance s'estompent, pour libérer de l'espace, comme un ordinateur.
En résumé
* L'apprentissage est produit par une potentialisation des synapses, où le sommeil semble jouer un rôle essentiel dans sa régulation, diminuant la potentialisation.
* Cette diminution de la potentialisation se produit de manière spécifique et sélective.
* Les bienfaits que procure le sommeil dans les différents domaines de la mémoire sont : l'acquisition, la consolidation, l'extraction d'idées, l'intégration et l'oubli.
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