Paris, 18 juillet 2012

Le noyau atomique : liquide fissile ou molécule vitale ?
Une nouvelle vision unifiant les deux aspects noyau-liquide et noyau-molécule est révélée par une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec l'Université de Zagreb. En faisant l'analogie avec les étoiles à neutrons(1), les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, l'une des conditions nécessaires à la formation, au sein du noyau atomique, de comportements moléculaires. Ces derniers permettent notamment de comprendre la synthèse des éléments indispensables à l'apparition de la vie. Ces travaux sont publiés dans Nature le 19 juillet 2012.
Le noyau atomique est généralement décrit comme une goutte de liquide quantique de l'ordre du millionième de milliardième de mètre de diamètre. Ce comportement de type liquide explique notamment la fission nucléaire, et s'applique préférentiellement aux noyaux lourds, c'est-à-dire ceux contenant beaucoup de nucléons (les neutrons et les protons). En revanche, les noyaux légers(2) peuvent se comporter comme de minuscules « molécules » - ou agrégats - composés de neutrons et de protons à l'échelle du noyau. Cet aspect moléculaire permet de comprendre la synthèse stellaire du carbone-12 ou d'éléments plus lourds, nécessaires à l'apparition de la vie(3).
Jusqu'à présent, les deux visions « noyau-molécule » et « noyau-liquide » co-existaient. Aujourd'hui, une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Zagreb, livre une vision unifiée de ces deux aspects. En résolvant des équations de physique quantique à l'échelle du noyau (et notamment l'équation de Schrödinger), les chercheurs ont démontré que, si un noyau léger peut présenter un comportement de type moléculaire (qui tend vers l'état cristallin), il adopte, lorsqu'il s'alourdit, un comportement de type liquide. Pour établir cette nouvelle théorie, les physiciens se sont inspirés des étoiles à neutrons(1). Plus on s'enfonce à l'intérieur de ces étoiles, plus on passe d'un milieu cristallin à un milieu liquide. Grâce à cette analogie, les physiciens ont identifié un mécanisme de transition de l'état liquide vers l'état cristallin du noyau. Lorsque les interactions entre neutrons et protons ne sont pas assez fortes pour les fixer au sein du noyau, celui-ci est alors dans un état de type liquide quantique où neutrons et protons sont délocalisés. À l'inverse, dans un état cristallin, neutrons et protons seraient fixés à intervalles réguliers dans le noyau. La molécule nucléaire est interprétée comme un état intermédiaire entre le liquide quantique et le cristal. À long terme, il s'agit de comprendre de manière unifiée les différents états du noyau.

DOCUMENT             CNRS             LIEN

Paris, 25 AVRIL 2013

Mémoire musicale : certains déficits commencent dans le cortex auditif
L'amusie congénitale est un trouble caractérisé par des compétences musicales diminuées, pouvant aller jusqu'à l'incapacité à reconnaître des mélodies très familières. Les bases neuronales de ce déficit commencent enfin à être connues. En effet, selon une étude menée par les chercheurs du CNRS et de l'Inserm au Centre de recherche en neurosciences de Lyon (CNRS / Inserm / Université Claude Bernard Lyon 1), les personnes amusiques présentent un traitement altéré de l'information musicale dans deux régions cérébrales : le cortex auditif et le cortex frontal, surtout dans l'hémisphère cérébral droit. Ces altérations semblent liées à des anomalies anatomiques dans ces mêmes cortex. Ces travaux apportent des informations précieuses sur la compréhension de l'amusie et, plus généralement, sur le « cerveau musical », c'est-à-dire sur les réseaux cérébraux impliqués dans le traitement de la musique. Ils sont publiés dans l'édition papier du mois de mai 2013 de la revue Brain.
L'amusie congénitale, qui touche entre 2 et 4% de la population, peut se manifester de diverses façons : par une difficulté à entendre une « fausse note », par le fait de « chanter faux », voire parfois par une aversion à la musique. Certaines de ces personnes affirment ressentir la musique comme une langue étrangère ou comme un simple bruit. L'amusie n'est due à aucun problème auditif ou psychologique, et ne semble pas liée à d'autres troubles neurologiques. Les recherches sur les bases neuronales de ce déficit n'ont commencé qu'il y a une dizaine d'années avec les travaux de la neuropsychologue canadienne Isabelle Peretz.

Deux équipes du Centre de recherche en neurosciences de Lyon (CNRS / Inserm / Université Claude Bernard Lyon 1) se sont notamment intéressées à l'encodage de l'information musicale et à la mémorisation à court terme des notes. Selon des travaux antérieurs, les personnes amusiques présentent une difficulté toute particulière à percevoir la hauteur des notes (le caractère grave ou aigu). De plus, bien qu'elles retiennent tout à fait normalement des suites de mots, elles peinent à mémoriser des suites de notes.

Pour tenter de déterminer les régions cérébrales concernées par ces difficultés de mémorisation, les chercheurs ont effectué, sur un groupe de personnes amusiques en train de réaliser une tâche musicale, un enregistrement de Magnéto-encéphalographie (technique qui permet de mesurer, à la surface de la tête, de très faibles champs magnétiques résultant du fonctionnement des neurones). La tâche consistait à écouter deux mélodies espacées par un silence de deux secondes. Les volontaires devaient déterminer si les mélodies étaient identiques ou différentes entre elles.

Les scientifiques ont observé que, lors de la perception et la mémorisation des notes, les personnes amusiques présentaient un traitement altéré du son dans deux régions cérébrales : le cortex auditif et le cortex frontal, essentiellement dans l'hémisphère droit. Par rapport aux personnes non-amusiques, leur activité cérébrale est retardée et diminuée dans ces aires spécifiques au moment de l'encodage des notes musicales. Ces anomalies surviennent dès 100 millisecondes après le début d'une note.

Ces résultats rejoignent une observation anatomique que les chercheurs ont confirmée grâce à des images IRM : chez les personnes amusiques, au niveau du cortex frontal inférieur, on trouve un excès de matière grise accompagnée d'un déficit en matière blanche dont l'un des constituants essentiels est la myéline. Celle-ci entoure et protège les axones des neurones, permettant au signal nerveux de se propager rapidement. Les chercheurs ont aussi observé des anomalies anatomiques dans le cortex auditif. Ces données renforcent l'hypothèse selon laquelle l'amusie serait due à un dysfonctionnement de la communication entre le cortex auditif et le cortex frontal.

L'amusie est ainsi liée à un traitement neuronal déficitaire dès les toutes premières étapes du traitement d'un son dans le système nerveux auditif. Ces travaux permettent ainsi d'envisager un programme de réhabilitation de ces difficultés musicales, en ciblant les étapes précoces du traitement des sons par le cerveau et de leur mémorisation.

DOCUMENT            CNRS              LIEN

Paris, 6 septembre 2006

L'organisation du cerveau du nourrisson pourrait-elle expliquer l'acquisition rapide de la langue maternelle ?

Pourquoi seuls les humains sont-ils capables de maitriser un langage sophistiqué ? Comment se fait-il que les nourrissons dominent si rapidement leur langue maternelle, quand on songe aux difficultés de l'adulte pour apprendre une deuxième langue? Les réponses à ces questions se trouvent peut-être dans l'organisation particulière du cerveau humain et dans la collaboration étroite entre les régions qui ont des fonctionnalités différentes mais complémentaires. Telles sont les hypothèses émises par des équipes de l'Inserm, du CEA, de l'AP-HP et du CNRS. Leurs travaux complètent les conclusions apportées en 2002 par ces mêmes chercheurs qui démontraient alors que les nourrissons activaient les mêmes aires cérébrales que l'adulte lorsqu'ils écoutaient de la parole. Leurs résultats montrent aujourd'hui que l'organisation adulte, qui implique une coopération étroite entre les aires de compréhension (la région temporale dont l'aire de Wernicke) et celles de production verbale (l'aire de Broca dans la région frontale inférieure gauche), est déjà présente chez le nourrisson alors qu'il ne parle pas encore.
Ces nouvelles données paraissent cette semaine dans l'édition en ligne des PNAS (Proceedings of the National Academy of Science).
L'étude a été conduite par Ghislaine Dehaene et son équipe (unité Inserm 562 « Neuroimagerie cognitive ») au CEA, au sein du service hospitalier Joliot Curie. Elle a consisté à visualiser l'organisation des régions cérébrales activées par l'écoute de courtes phrases (de seulement 2 s) grâce à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)(1). Ce travail a été mené chez 10 nourrissons âgés de 3 mois (4 filles et 6 garçons) à l'hôpital Necker Enfants-malades (AP-HP).

L'IRMf a permis aux chercheurs de constater que ces phrases provoquent l'activation en cascade de régions temporales et frontales. Les régions les plus proches du cortex auditif, s'activent dès le début de la phrase alors que d'autres, plus distantes comme l'aire de Broca, répondent plus lentement (cf.schéma). Cette progression de la réponse pourrait correspondre à une intégration du signal sonore dans des unités de plus en plus longues, permettant ainsi au nourrisson d'accéder à la structure emboîtées des phrases.

L'équipe a également observé que la réponse dans l'aire de Broca augmentait lorsque la phrase était répétée. Or, on sait que chez l'adulte cette région est cruciale pour la mémoire verbale à court-terme (quand on retient un numéro de téléphone par exemple). Ce processus de mémorisation semble reposer sur une répétition silencieuse des éléments à mémoriser.

Chez le nouveau-né l'activation de cette aire de Broca est surprenante. Elle permet d'assurer des fonctions qui sont encore très immatures (production verbale) ou bien inexistantes (intégration grammaticale) à 3 mois. Ces travaux conduits par l'équipe dirigée par Ghislaine Dehaene montrent que le nourrisson de 3 mois, bien qu'incapable de répéter des phrases entières, possède déjà le circuit neuronal qui lui permet de repérer certains éléments répétés de la phrase.

Par ailleurs, des travaux récents ont montré que dans l'équivalent de cette région chez les singes macaques existaient des neurones particuliers, appelés neurones "miroirs", qui sont activés non seulement lors de la réalisation d'une action, mais aussi dès que le macaque voit ou entend un congénère effectuer cette même action. Cette région pourrait donc être cruciale pour unifier les différentes représentations motrices (je parle), visuelles (je vois parler) et auditives (j'entends parler) de la parole et permettre au nourrisson de tirer le meilleur parti de son environnement sonore et visuel.

Reste maintenant à découvrir si d'autres stimuli font aussi appel à ce type de procédé et pourquoi seuls les bébés de l'espèce humaine apprennent à parler, deux points sur lesquels l'imagerie cérébrale devrait continuer d'apporter des réponses.

DOCUMENT             CNRS              LIEN

Paris, 20 mai 2008

Artères et veines, un mariage forcé
Une équipe pluridisciplinaire, composée de physiciens et de biologistes français et allemands(1), vient de découvrir comment, chez l'embryon, les artères et les veines se développent en paires parallèles. Grâce à des mesures physiques, des modèles théoriques et des simulations numériques, les chercheurs montrent comment la croissance des artères oriente directement celle des veines par un processus dépendant uniquement des forces mécaniques en présence. Ces travaux sont publiés en ligne sur le site de la revue Physical Review E(2).
Un réseau vasculaire extraordinairement complexe, composé d’artères, de capillaires et de veines, parcourt l'organisme des vertébrés. Il apporte à chaque cellule l'oxygène et les nutriments nécessaires et permet d’évacuer les déchets métaboliques produits. Ce réseau contient un si grand nombre de branches que les positions de chaque vaisseau ne peuvent pas être codées génétiquement. Cependant, la génétique est souvent évoquée pour expliquer le fait que, chez l'adulte, les artères et les veines cheminent très fréquemment par paires parallèles, une artère étant même souvent encadrée par deux veines qui lui sont strictement parallèles. Pendant le développement embryonnaire une «conversation génétique» artères/veines permettrait en effet d’interpréter ce phénomène.

Dans leur article paru dans Physical Review E, les chercheurs montrent comment des phénomènes physiques (mécaniques, hydrodynamiques et élastiques) conduisent à un développement parallèle des artères et des veines.
Une étude détaillée du développent spatial et temporel des artères et des veines au stade embryonnaire montre qu'une métamorphose de l'arborescence vasculaire se produit spontanément en cours de croissance. Au stade embryonnaire précoce, on observe une organisation spatiale en série, où les artères et les veines sont situées dans des régions distinctes de l’espace. Puis rapidement, après quelques jours de développement embryonnaire, de nouvelles veines se développent en parallèle des artères existantes et les territoires vasculaires s’entrelacent.
A partir de visualisations du réseau vasculaire et de la mesure de paramètres mécaniques locaux réalisées in situ, les chercheurs démontrent que cette métamorphose est initiée par la croissance des artères. A leur voisinage, on observe une réponse visco-élastique du tissu vivant, se traduisant par un gonflement. Cette réponse entraîne à son tour une augmentation de la perméabilité du lit capillaire, très localisée dans des zones parfaitement parallèles aux artères précédemment formées. Ces zones de forte conductivité sont sélectionnées par l'écoulement sanguin qui y circule plus favorablement, puis remodelées en veines, dès que le tissu atteint une taille critique, qui a été prédite théoriquement. Des simulations numériques de l’écoulement sanguin réalisées dans des réseaux vasculaires idéalisés d’organes, à différents stades de croissance, ont confirmé ces résultats.

Ce travail apporte un éclairage nouveau sur l’importance de la mécanique dans le développement embryonnaire. Il existe dans les embryons un paysage de forces mécaniques formant une dentelle de régions dures ou molles, qui évolue spontanément sous l’action des poussées exercées par les cellules. Analyser la composante physique des différents actes du scénario du développement embryonnaire permettra de comprendre la cause des aberrations du développement ou des pathologies causées par des gènes défectueux, qui altèrent les propriétés physiques du tissu.

DOCUMENT         CNRS                 LIEN