(L) Nouvelle théorie de la formation des synapses dans le cerveau - homéostasie (2013)

Nouvelle théorie de la formation de synapse dans le cerveau

Réorganisation du cortex visuel: avant (à gauche) et juste après une lésion de la rétine (centre), et dans une phase ultérieure (à droite). La plupart des neurones de la zone où les images sont projetées à partir de la rétine endommagée peuvent atteindre leur…PLUS

Le cerveau humain ne cesse de changer tout au long de la vie d'une personne. De nouvelles connexions sont continuellement créées tandis que les synapses qui ne sont plus utilisées dégénèrent. À ce jour, on en sait peu sur les mécanismes derrière ces processus. Le Dr Markus Butz, neuroinformaticien de Jülich, a maintenant pu attribuer la formation de nouveaux réseaux neuronaux dans le cortex visuel à une simple règle homéostatique qui est également à la base de nombreux autres processus d'autorégulation dans la nature. Avec cette explication, lui et son collègue le Dr Arjen van Ooyen d'Amsterdam proposent également une nouvelle théorie sur la plasticité du cerveau - et une nouvelle approche pour comprendre les processus d'apprentissage et traiter les lésions cérébrales et les maladies cérébrales.

Les cerveaux des humains adultes ne sont nullement câblés. Les scientifiques ont maintes fois établi ce fait au cours des dernières années en utilisant différentes techniques d'imagerie. Cette soi-disant neuroplasticité joue non seulement un rôle clé dans les processus d'apprentissage, elle permet également au cerveau de récupérer des blessures et de compenser la perte de fonctions. Les chercheurs ont récemment découvert que même dans le cerveau adulte, non seulement les synapses existantes s'adaptent aux nouvelles circonstances, mais également que de nouvelles connexions se forment et se réorganisent. Cependant, on ne savait pas encore comment ces processus de réarrangement naturels étaient contrôlés dans le cerveau. Dans le journal en libre accès PLOS Biologie Computationnelle, Butz et van Ooyen présentent maintenant une règle simple qui explique comment se forment ces nouveaux réseaux de neurones.

«Il est très probable que la plasticité structurelle du cerveau soit à la base de la formation de la mémoire à long terme», déclare Markus Butz, qui travaille depuis quelques mois au laboratoire de simulation neuroscientifique récemment créé au Jülich Supercomputing Center. «Et ce n'est pas seulement une question d'apprentissage. Suite à l'amputation des extrémités, aux lésions cérébrales, à l'apparition de maladies neurodégénératives et aux accidents vasculaires cérébraux, un grand nombre de nouvelles synapses se forment afin d'adapter le cerveau aux changements durables dans les schémas des stimuli entrants.

L'activité régule la formation de synapse

Ces résultats montrent que la formation de nouvelles synapses est motivée par la tendance des neurones à maintenir un niveau d'activité électrique «prédéfini». Si l'activité électrique moyenne tombe en dessous d'un certain seuil, les neurones commencent à construire activement de nouveaux points de contact. Ceux-ci sont à la base de nouvelles synapses qui fournissent une entrée supplémentaire - le taux de déclenchement des neurones augmente. Cela fonctionne également dans l'autre sens: dès que le niveau d'activité dépasse une limite supérieure, le nombre de connexions synaptiques est réduit pour éviter toute surexcitation - le taux de déclenchement des neurones diminue. Des formes similaires d'homéostasie se produisent fréquemment dans la nature, par exemple dans la régulation de la température corporelle et de la glycémie.

Cependant, Markus Butz souligne que cela ne fonctionne pas sans une certaine excitation minimale des neurones: «Un neurone qui ne reçoit plus de stimuli perd encore plus de synapses et mourra après un certain temps. Nous devons prendre en compte cette restriction si nous voulons que les résultats de nos simulations concordent avec les observations. En utilisant le cortex visuel à titre d'exemple, les neuroscientifiques ont étudié les principes selon lesquels les neurones forment de nouvelles connexions et abandonnent les synapses existantes. Dans cette région du cerveau, environ 10% des synapses sont régénérés en permanence. Lorsque la rétine est endommagée, ce pourcentage augmente encore. À l'aide de simulations sur ordinateur, les auteurs ont réussi à reconstituer la réorganisation des neurones de manière à se conformer aux résultats expérimentaux du cortex visuel de souris et de singes à la rétine endommagée.

Le cortex visuel est particulièrement adapté pour démontrer la nouvelle règle de croissance, car il possède une propriété appelée rétinotopie: cela signifie que les points projetés les uns à côté des autres sur la rétine sont également disposés les uns à côté des autres lorsqu'ils sont projetés sur le cortex visuel, juste comme sur une carte. Si des zones de la rétine sont endommagées, les cellules sur lesquelles les images associées sont projetées reçoivent des entrées différentes. «Dans nos simulations, vous pouvez voir que les zones qui ne reçoivent plus aucune entrée de la rétine commencent à créer des liens croisés, ce qui leur permet de recevoir plus de signaux de leurs cellules voisines», explique Markus Butz. Ces réticulations se forment lentement du bord de la zone endommagée vers le centre, dans un processus ressemblant à la guérison d'une plaie, jusqu'à ce que le niveau d'activité d'origine soit plus ou moins rétabli.

Plasticité synaptique et structurale

«La nouvelle règle de croissance fournit une plasticité structurelle avec un principe presque aussi simple que celui de la plasticité synaptique», déclare le co-auteur Arjen van Ooyen, qui travaille sur des modèles pour le développement de réseaux de neurones depuis des décennies. Dès 1949, le professeur de psychologie Donald Olding Hebb découvrit que les liens entre neurones qui sont fréquemment activés deviendront plus forts. Ceux qui échangent peu d'informations deviendront plus faibles. Aujourd'hui, de nombreux scientifiques pensent que ce principe de Hebbian joue un rôle central dans les processus d'apprentissage et de mémorisation. Tandis que Plasticité synaptique Impliquée principalement dans des processus à court terme allant de quelques millisecondes à plusieurs heures, la plasticité structurelle s'étend sur des échelles de temps plus longues, allant de plusieurs jours à plusieurs mois.

La plasticité structurelle joue donc un rôle particulièrement important au cours de la phase de rééducation (précoce) des patients atteints de maladies neurologiques, qui dure également des semaines et des mois. La vision qui sous-tend le projet est que des prévisions précises sur la formation de synapse pourraient donner lieu à de précieuses idées pour le traitement des patients ayant subi un AVC. Si les médecins savaient comment la structure du cerveau d'un patient allait changer et se réorganiser pendant le traitement, ils pourraient déterminer le moment idéal pour les phases de stimulation et de repos, améliorant ainsi l'efficacité du traitement.

Nouvelle approche pour de nombreuses applications

«On supposait auparavant que la plasticité structurelle suit également le principe de la plasticité hebbienne. Les résultats suggèrent que la plasticité structurelle est plutôt régie par le principe homéostatique, ce qui n'a pas été pris en compte auparavant », explique la professeure Abigail Morrison, responsable du laboratoire de simulation de neurosciences à Jülich. Son équipe intègre déjà la nouvelle règle dans le logiciel de simulation librement accessible NEST, qui est utilisé par de nombreux scientifiques à travers le monde.

Ces résultats sont également pertinents pour le Human Brain Project. Neuroscientifiques, médecins, informaticiens, physiciens et mathématiciens en Europe travaillent main dans la main pour simuler l'ensemble du cerveau humain sur des ordinateurs hautes performances de la prochaine génération afin de mieux comprendre son fonctionnement. «En raison de la complexité des circuits synaptiques chez l'homme cerveau, il n'est pas plausible que sa tolérance aux pannes et sa flexibilité soient obtenues sur la base de règles de connexion statiques. Des modèles sont donc nécessaires pour un processus d'auto-organisation », explique le professeur Markus Diesmann de l'Institut de neurosciences et de médecine de Jülich, qui est impliqué dans le projet. Il dirige la neuroscience computationnelle et des systèmes (INM-6), un suppléant travaillant à l'interface entre la recherche neuroscientifique et la technologie de simulation.

http://m.ph-cdn.com/tmpl/v4/img/1x1.gifExplorer plus loin: Réapprendre à voir: les chercheurs découvrent un interrupteur crucial dans le développement visuel

En savoir plus : Une règle simple pour la formation du rachis dendritique et des boutons axonaux peut expliquer la réorganisation corticale après des lésions rétiniennes focales, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (publié en ligne 10 October 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259