Identification d’un réseau d’aires cérébrales impliqué dans les mathématiques

COMMUNIQUÉ | 20 AVRIL 2016 - 15H07 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

NEUROSCIENCES, SCIENCES COGNITIVES, NEUROLOGIE, PSYCHIATRIE


Deux chercheurs de l’unité mixte CEA / Inserm / Université Paris-Sud et du Collège de France au centre de recherche en neuro-imagerie, NeuroSpin, viennent de révéler que le cerveau possède un réseau d’aires cérébrales impliqué dans les mathématiques de haut niveau comme dans les opérations arithmétiques les plus simples. Ce réseau s’active à la seule vue de nombres chez une population de haut niveau universitaire, experte ou non en mathématiques. Ces résultats, publiés dans les PNAS, ont été obtenus en IRM fonctionnelle chez des universitaires spécialistes de mathématiques ou d’autres disciplines.
 
Peut-il y avoir une pensée sans langage ? L’imagerie cérébrale permet aujourd’hui de poser cette question en laboratoire. Dans le but de déterminer quelles aires cérébrales sont impliquées dans la réflexion mathématique de haut niveau, des neuroscientifiques (NeuroSpin, CEA/Inserm/Université Paris Sud Saclay, Collège de France) ont étudié le cerveau d’une quinzaine de mathématiciens professionnels par IRM fonctionnelle (IRMf). Les images d’IRMf ont été acquises alors qu’ils réfléchissaient pendant 4 secondes à des affirmations mathématiques et non-mathématiques de haut niveau, afin de les juger vraies, fausses ou absurdes. Lorsque leur réflexion portait sur des objets mathématiques, un réseau dorsal pariétal et frontal du cerveau était activé, réseau qui ne présentait aucun recouvrement avec les aires du langage. A l’inverse, lorsqu’on leur demandait de réfléchir à un problème d’histoire ou de géographie, le réseau qui s’activait était complètement différent des régions mathématiques et impliquait certaines aires du langage.

Comparaison des régions du cerveau activités par une activité mathématique et par une activité langagière chez les mathématiciens et les non-mathématiciens.
Une activité mathématique active les régions du cerveau représentées en bleu chez les mathématiciens tandis qu’une activité langagière active les régions représentées en vert sur cette figure chez des mathématiciens et des non mathématiciens. Ces régions ne se recouvrent pas.
© M.Amalric/CEA

Le réseau d’aires cérébrales mis au jour dans cette étude n’est pas seulement impliqué dans les mathématiques de très haut niveau, mais également dans le traitement du nombre et du calcul mental. Les chercheurs ont d’ailleurs pu observer que ce réseau s’activait également en réponse à la simple vue de nombres ou de formules mathématiques chez les mathématiciens professionnels comme chez les non-mathématiciens (des chercheurs de même niveau universitaire, mais sans formation scientifique) qui avaient participé à cette expérience.

Des études récentes suggèrent de plus que ce réseau est déjà impliqué dans l’identification du nombre chez les jeunes enfants non encore scolarisés, et qu’il est très ancien dans l’évolution car il est présent lorsque des singes macaques reconnaissent des objets concrets. Cela suppose que ce réseau d’aires cérébrales préexiste à l’apprentissage des mathématiques à l’école, et qu’il se développe ensuite avec l’éducation que l’on reçoit. En effet, les chercheurs ont  constaté que l’activation des régions de ce réseau était amplifiée chez les mathématiciens par rapport aux non-mathématiciens. Cette observation coïncide avec la théorie du recyclage neuronal, développée par Stanislas Dehaene, et qui stipule que les activités culturelles de haut niveau, telles que les mathématiques, recyclent des fondations cérébrales très anciennes dans l’évolution, telles que le sens du nombre, de l’espace ou du temps.
Il existe ainsi un réseau mathématique dans le cerveau, qui n’est pas celui du langage. Ce résultat concorde avec d’autres observations, par exemple le fait que certains enfants ou adultes, qui disposent d’un vocabulaire numérique très pauvre, soient capables de réaliser des opérations arithmétiques avancées, ou encore que certains patients aphasiques[1] puissent encore faire du calcul et de l’algèbre.
 
Dans le débat séculaire de la pensée sans langage, les mathématiques ont un statut particulier. Pour certains, tel Noam Chomsky, l’activité mathématique a émergé chez l’Homme comme conséquence de ses capacités pour le langage. La plupart des mathématiciens et physiciens pensent au contraire que la réflexion mathématique est indépendante du langage, tel Albert Einstein qui affirmait : « les mots et le langage écrits ou parlés ne semblent jouer aucun rôle dans mon mécanisme de pensée. Les briques de base de ma pensée sont au contraire des signes ou des images, plus ou moins clairs, que je peux reproduire et recombiner à volonté ».
 
[1] Patient aphasique : qui a perdu la maîtrise du langage. Ce trouble peut aller d’une incertitude sur les mots à une perte totale d’expression par le langage mais le patient peut écrire.

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Troubles spécifiques des apprentissages

Sous titre
Les « dys », des troubles durables mais qui se prennent en charge

Lecture, expression écrite ou orale, calcul, concentration… Si 15 à 20% des enfants sont confrontés à des difficultés d’apprentissages et scolaires, les troubles spécifiques des apprentissages ne concernent que 5 et 7% des enfants d’âge scolaire.
Plus connus sous le nom de troubles "dys", il s'agit de troubles durables, sévères chez 1 à 2% des enfants concernés, avec des répercussions sur leur scolarité et leur vie quotidienne. Leur prise en charge permet cependant d’améliorer et/ou de compenser les fonctions déficientes.
                       

Comprendre les troubles spécifiques des apprentissagesDifférents troubles de l’apprentissage se manifestent chez des enfants qui ont une intelligence et un environnement social adéquat, et ne présentent pas de problèmes sensoriels (vue, audition), psychiatriques ou neurologiques identifiables. Ces enfants éprouvent des difficultés à apprendre à lire, à écrire, à orthographier, à calculer, à s’exprimer ou encore à se concentrer.
Les troubles spécifiques des apprentissages comprennent (selon la classification internationale DSM-5) :
*         le trouble spécifique des apprentissages avec déficit en lecture (communément nommée dyslexie)
*         le trouble spécifique des apprentissages avec déficit de l’expression écrite (dysorthographie)
*         le trouble spécifique des apprentissages avec déficit du calcul (dyscalculie)
Ces troubles sont associés au :
*         trouble du langage oral (dysphasie)
*         trouble développemental de la coordination (dyspraxie), incluant certaine forme de dysgraphie (trouble de l'écriture)
*         déficits de l’attention avec ou sans hyperactivité (TDAH ou TDA)
*
Des troubles fréquemment associés
Dans près de 40% des cas, un enfant concerné par un trouble spécifique des apprentissages présente plusieurs troubles. Les troubles spécifiques des apprentissages avec déficit en lecture ou avec déficit du calcul sont fréquemment associés à des troubles développementaux de la coordination ou à des déficits de l’attention. En outre, un trouble du langage oral sera suivi d’un risque de trouble spécifique des apprentissages avec déficit en lecture dans plus de 50% des cas.
Des difficultés psychologiques et comportementales sont également fréquemment associées aux troubles spécifiques des apprentissages (anxiété de performance, manque de confiance en soi).
Les aires cérébrales impliquées, les manifestations et les prises en charge diffèrent selon les troubles. Cependant, l’association de plusieurs de ces troubles (deux ou plus) est fréquente chez un même enfant. Un mécanisme commun pourrait être à l’origine de ces dysfonctionnements au cours du développement.

Ce problème de santé publique, qui touche donc un à deux élèves par classe, pose des défis d’organisation des soins à l’échelle nationale, avec des disparités de prise en charge selon les régions.
Le trouble spécifique des apprentissages avec déficit en lecture (dyslexie)
Après le début de l’apprentissage de la lecture au cours préparatoire, le trouble spécifique des apprentissages avec déficit en lecture se manifeste par :
*         une mauvaise association entre graphèmes (signes écrits) et phonèmes (sons)
*         une incapacité à saisir rapidement un mot dans sa globalité.
L’enfant déchiffre lentement et fait des erreurs. Ce trouble est très souvent associé à une difficulté à maitriser l’orthographe (trouble spécifique des apprentissages avec déficit de l’expression écrite).
Ces dysfonctionnements sont souvent liés à un mauvais développement phonologique en amont de l’apprentissage de la lecture : difficultés à discriminer les sons proches, faible conscience phonologique (capacité à percevoir, découper et manipuler les unités sonores du langage telles que la syllabe ou le phonème) et/ou à des problèmes dans le traitement orthographique (confusions et inversion de lettres, mauvais codage de la position des lettres). Des problèmes visuo-attentionnels peuvent être associés.

Le trouble développemental de la coordination (dyspraxie)
Les enfants concernés ont des difficultés motrices, notamment pour planifier, programmer et coordonner des gestes complexes. Ils ne peuvent pas automatiser un certain nombre de gestes volontaires, notamment l’écriture (ce qui entraîne une dysgraphie). Ces enfants contrôlent laborieusement le dessin de chaque lettre, ce qui absorbe une grande partie de leur attention et les empêche de prêter attention aux autres aspects (orthographe, sens des mots...).
Ce trouble est souvent associé à des anomalies de repérage et d’organisation spatiale et à des difficultés de motricité des yeux qui perturbent l’appréhension de l’environnement par l’enfant.

Le trouble spécifique des apprentissages avec déficit du calcul (dyscalculie)
Les enfants concernés ont une mauvaise perception des quantités numériques (sens du nombre), socle sur lequel se construisent les habiletés arithmétiques ultérieures. Ils peuvent aussi rencontrer des difficultés de mémorisation et d’apprentissage des tables d’addition et de multiplication.
Le trouble spécifique des apprentissages avec déficit du calcul est souvent combiné à un trouble du langage ou à un trouble développemental de la coordination. Il peut être associé à des anomalies des régions cérébrales impliquées dans la perception des quantités numériques, dans les représentations visuelles (chiffres arabes) ou l’expression verbale (mots désignant les nombres).

Le trouble du langage oral (dysphasie)
Les enfants peuvent présenter un trouble de l’expression du langage qui peut concerner la phonologie (des difficultés de prononciation, avec des paroles indistinctes et des mots déformés), le vocabulaire ou la syntaxe (difficultés à composer des phrases), parfois associé à un trouble de la compréhension (vocabulaire et/ou syntaxe).
Un dépistage et une prise en charge précoce sont recommandés dès la maternelle, avant 5 ans et si possible dès 3 ans, afin d’améliorer le pronostic ultérieur.

Les déficits de l’attention avec (TDAH) ou sans hyperactivité (TDA)

Les enfants présentant des déficits de l’attention, avec ou sans hyperactivité, ont des difficultés à se concentrer et à soutenir leur attention lors d’une tâche ou d’une activité particulière, ceci en dépit de leur bonne volonté. Ce trouble conduit à de nombreuses erreurs d’inattention, à un travail inabouti, au non-respect des consignes et à une mauvaise organisation.
Plus de 50% des enfants qui présentent des déficits de l’attention avec ou sans hyperactivité présentent d’autres troubles des apprentissages associés. Ils s’accompagnent fréquemment de difficultés psychologiques et comportementales (comme le trouble oppositionnel).

Comment les diagnostiquer ?
Le diagnostic d'un trouble spécifique des apprentissages ne peut être réalisé qu'après avoir exclu l'existence d'une déficience intellectuelle, neurosensorielle (audition et vision) ou de difficultés psychiatriques ou d’environnement social pouvant retentir sur les apprentissages. Le médecin à l'origine du diagnostic utilise des outils de dépistage validés, permettant de déterminer le(s) bilan(s) spécialisé(s) utile(s) et le(s) professionnel(s) concerné(s), en fonction de l’âge et du type de trouble observé. Un bilan d’audition en ORL ou un bilan ophtalmologique et orthoptique sont parfois utiles.
Le bilan spécialisé dépend du type de trouble :
*         Pour des difficultés de langage, de lecture ou de cognition mathématique, il s’agira d’un bilan orthophonique.
*         Pour la coordination motrice, le graphisme ou les difficultés visuo-perceptives ou visuo-motrices, le bilan spécialisé sera réalisé par un(e) psychomotricien(ne) ou un(e) ergothérapeute.
*         Un bilan complémentaire cognitif ou attentionnel et des fonctions exécutivesfonctions exécutivesEnsemble de processus cognitifs (raisonnement, planification,  résolution de problèmes…) qui nous permettent de nous adapter au contexte, aux situations nouvelles.

, par un(e) psychologue spécialisé en neuropsychologie peut être utile.
Selon les recommandations de la Haute Autorité de santé de janvier 2018, les parcours de diagnostic et de prise en charge doivent être adaptés aux types de difficultés d’apprentissage, à leur sévérité, à leur pronostic évolutif ainsi qu’à l’environnement de l’enfant. Ces recommandations définissent une organisation sur trois niveaux en fonction de la complexité des interventions utiles, dès lors que les interventions pédagogiques préventives, ciblées sur les difficultés repérées en classe, n’ont pas été efficaces.
Le niveau 1, "de proximité", correspond au diagnostic, à la prise en charge et au suivi des troubles par le médecin traitant et le rééducateur adapté au type de trouble. Un niveau 2, pluridisciplinaire, plus spécialisé, vient en complément pour les enfants dont l’évolution reste insuffisante avec la réponse de niveau 1, ou lorsque les troubles sont plus complexes. Enfin, des centres de référence de niveau 3 existent au sein de centres hospitaliers universitaires, permettant des bilans multidisciplinaires pour les patients présentant les cas les plus complexes.

Quelle prise en charge rééducative et orientation ?
Il n’existe pas de technique "miracle" : les troubles spécifiques des apprentissages sont durables. Toutefois, leur prise en charge permet d’améliorer et/ou de compenser les fonctions déficientes. Une prise en charge adaptée, en orthophonie, psychomotricité, ergothérapie, orthoptie, ou par un psychologue, offre à l’enfant la possibilité de développer son potentiel scolaire. Un accompagnement psychologique s’avère souvent utile.
Tous les troubles des apprentissages nécessitent des adaptations pédagogiques à l’école. Elles peuvent être formalisés avec le médecin de l’Education nationale, pour tenir compte des difficultés de l’enfant. Parmi les mesure pouvant être mises en place, citons :
*         une lecture orale des consignes des exercices pour les enfants ayant des difficultés de compréhension de la lecture
*         des photocopies des cours, ou la possibilité d'utiliser un ordinateur, pour à des enfants qui rencontrent des difficultés d’écriture
*         la reformulation les consignes pour aider les enfants présentant un trouble de la compréhension du langage
*         du temps supplémentaires pendant les épreuves...
Ces adaptations peuvent se poursuivre jusqu’au brevet, voire jusqu’au bac, selon l’évolution.
Une orientation en classe spécialisée (de type ULIS TSL pour Unité localisée pour l’inclusion scolaire Troubles spécifiques du langage) peut être envisagée pour les enfants présentant des troubles sévères du langage écrit. Certains centres de référence de niveau 3 proposent une prise en charge spécialisée, avec des rééducations intensives sur place et une scolarité spécialisée. Ce dispositif s'adresse à des élèves non lecteurs, présentant des troubles sévères et multiples. A l'issue d'une ou deux années, ils peuvent être réorientés vers le système scolaire, ordinaire ou spécialisé.

Les enjeux de la recherche
Jusqu’ici, le trouble spécifique des apprentissages avec déficit en lecture (dyslexie) est le trouble le plus étudié par les chercheurs. Des études génétiques et d’imagerie cérébrale sont toujours en cours. L’existence d’une susceptibilité génétique a été démontrée et, à ce jour, quelques gènes de prédisposition ont été identifiés : ils sont impliqués dans la migration neuronale. Certains sont en outre associés aux troubles du langage oral, dans le cadre de syndromes souvent plus complexes.
L’imagerie cérébrale anatomique et fonctionnelle permet quant à elle de mieux comprendre les mécanismes associés aux troubles de l’apprentissage. Les chercheurs observent de mieux en mieux les aires cérébrales affectées aux différentes fonctions. Ils soupçonnent que des désordres neuronaux dans certaines régions, ou encore un déficit de connexion entre des aires éloignées du cerveau, pourraient expliquer différents troubles des apprentissages.

Les processus de contrôle cognitif, véritables outils de l’apprentissage

Les efforts de recherche se concentrent actuellement vers le développement de méthodes de remédiation innovantes. Il s’agit d’interventions pouvant concerner la population générale d’enfants d’âge scolaires, ou des populations avec un trouble spécifique et durable des apprentissages, par exemple de la lecture (comme dans cette étude) ou de la coordination (comme dans celle-ci).

Il est bien démontré que la qualité des apprentissages scolaires repose notamment sur la capacité de l’élève à exercer un contrôle cognitif sur ses processus de pensée et ses comportements. Il s’agit de parvenir à mobiliser de manière efficiente ses capacités attentionnelles, d’inhibition ou encore de flexibilité mentale, entre autres. Elles vont permettre à l’enfant ou à l’adolescent de s’autoréguler sur les plans cognitif et/ou émotionnel. On a montré que la maîtrise de ces processus de contrôle cognitif constitue un meilleur prédicteur de la capacité de l’enfant à s’adapter dès l’école maternelle, que son niveau d’intelligence.
Les apprentissages sont sous-tendus par l’efficience de la mémoire de travail, une mémoire transitoire qui permet le traitement de l’information en temps réel nécessaire à tout comportement dirigé par un but. La qualité de la mémoire de travail est notamment prédictive du développement précoce du langage, des performances en résolution de problèmes, en mathématiques, ou encore en compréhension de texte. Une étude conduite par des psychologues de l’université Caen Normandie, l’université Paris Descartes et du Centre de recherche en épidémiologie et santé des populations (CESP, unité Inserm 1178) a examiné les capacités de contrôle cognitif d’enfants avec et sans trouble spécifique des apprentissages (TSA) (Lanoë et al, 2019). Les enfants présentant des TSA manifestent des déficits au niveau de la mise à jour de l’information en mémoire de travail verbale et spatiale, d’inhibition cognitive et motrice, de flexibilité mentale. Cette étude offre des perspectives de prise en charge pédagogique et de remédiation cognitive auprès de ces enfants.
Une approche défendue pour l’accompagnement du développement des capacités de contrôle cognitif chez l’enfant et l’adolescent consiste à leur transmettre des connaissances métacognitives ("comment je fonctionne") dans l’objectif de développer leur compétence métacognitive : organiser ses connaissances, développer des procédures et stratégies, exercer du contrôle sur son comportement et tirer parti de ses erreurs, réguler ses émotions, entre autres. Dans ce cadre, des outils de remédiation cognitive existent, tels que la trousse de remédiation cognitive de la mémoire de travail MémoAction. Ce matériel didactique se propose de maximiser le développement des habilités de gestion de la mémoire de travail chez l’apprenant présentant des difficultés d’apprentissage. Il existe aussi des outils visant à prendre en compte le fonctionnement cognitif et neurocognitif de l’apprenant, pour permettre la construction des connaissances et des compétences scolaires. L’ouvrage Découvrir le cerveau à l’école, Les sciences cognitives au service des apprentissages propose des séquences pédagogiques pouvant contribuer à de meilleurs apprentissages chez tous les élèves, et en particulier chez les élèves présentant des troubles des apprentissages. Ces séquences visent à leur permettre de "prendre conscience de leur cerveau" de façon ludique.

Un enjeu actuel de la recherche porte sur l’évaluation de ces remédiations, ce qui nécessite une meilleure compréhension des déficits cognitifs sous-jacents. L’imagerie cérébrale fonctionnelle peut permettre d’observer des mécanismes mis en jeux. Le lent développement des capacités de contrôle cognitif, qui débute à la première année de vie pour se poursuivre jusqu’au début de l’âge adulte, pourrait s’expliquer au regard de ce que l’on sait aujourd’hui sur la maturation anatomique et fonctionnelle du cerveau. Celle-ci relève de processus complexes et dynamiques quiont fait l’objet de plusieurs études d'imagerie par résonnance magnétique (IRM) ces dernières années. Elles indiquent que le développement cérébral est différentiel : impliqués dans les fonctions sensorielles et motrices de base, le cortex sensorimoteur mature le premier, alors que le cortex préfrontal, siège du contrôle cognitif, connait une évolution plus tardive jusqu’à l’âge adulte. Le développement de la matière blanche est plus linéaire, reflétant la myélinisation progressive des axones
axones
Prolongement de neurones
accélérant ainsi la conduction et la communication de l’information. Ces changements neurodéveloppementaux surviennent tout au long de l’enfance et de l’adolescence. Et pour aller en plus loin, il n’y a pas de période sensible pour la plasticité cérébrale

plasticité cérébrale
Mécanismes au cours desquels le cerveau est capable de se modifier en réorganisant les connexions et les réseaux neuronaux, dans la phase embryonnaire du développement ou lors d’apprentissage.

: elle s’opère tout au long de notre vie. Enseignants, éducateurs, médiateurs, parents, enfants, voici une raison d’être optimiste !

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Greffe de peau : une nouvelle cible moléculaire pour activer les cellules souches

COMMUNIQUÉ | 23 OCT. 2019 - 12H44 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

BIOLOGIE CELLULAIRE, DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION | SANTÉ PUBLIQUE


Une équipe de chercheur du CEA-Jacob et de l’Inserm vient de publier une étude dans laquelle elle démontre le rôle central du facteur de transcription KLF4 dans le contrôle de la prolifération des cellules souches de l’épiderme et de leur capacité à régénérer ce tissu. Cette étude ouvre des perspectives pour la médecine régénérative de la peau. Elle est publiée le 21 octobre dans Nature Biomedical Engineering.

L’épiderme humain se renouvelle entièrement tous les mois grâce à la présence de cellules souches dans sa couche la plus profonde, qui donnent naissance à l’ensemble des couches plus superficielles de ce tissu. Le décryptage des gènes assurant le contrôle du caractère souche, ou « stemness », reste à ce jour une énigme imparfaitement résolue, en particulier pour la peau humaine.

Les découvertes d’une équipe de recherche française du CEA, de l’Inserm et de l’Université de Paris, générées en collaboration avec I-Stem, le laboratoire de l’AFM-Télethon, et l’Université d’Évry, ouvrent des perspectives pour la médecine régénérative cutanée, en particulier pour la bio-ingénierie des greffons de peau destinés à la reconstruction tissulaire. En effet, l’amplification massive en culture de cellules de l’épiderme (appelées kératinocytes) est nécessaire à la production de greffons. Elle est effectuée à partir d’un échantillon de peau issu du patient qui contient des kératinocytes matures et une population minoritaire de cellules souches kératinocytaires. Cette phase d’amplification comporte un risque : elle peut s’accompagner d’une perte quantitative ou d’une altération des cellules souches, conduisant à une perte de potentiel régénératif.

Les résultats de l’étude publiée dans Nature Biomedical Engineering montrent que diminuer l’expression du gène KLF4 pendant la préparation du greffon favorise une amplification rapide de cellules souches fonctionnelles1, sans altérer leur stabilité génomique. Les kératinocytes amplifiés dans ces conditions présentent un potentiel régénératif à long terme accru dans des modèles de reconstruction épidermique in vitro et de greffes in vivo 2. KLF4 constitue donc une nouvelle cible moléculaire pour préserver la fonctionnalité des cellules souches et faire progresser la bio-ingénierie des greffons cutanés. Ces résultats constituent une démonstration de principe, qui nécessite des développements complémentaires pour envisager des applications cliniques.Parmi celles-ci, citons le soin des grands brûlés, des ulcères chroniques et la reconstruction mammaire.

Ces travaux ont été étendus à d’autres types cellulaires d’intérêt pour la thérapie cellulaire cutanée. A l’avenir, les kératinocytes produits à partir de cellules pluripotentes pourraient constituer une alternative aux cellules souches adultes dans certaines applications de bio-ingénierie de tissus reconstruits.
Une des difficultés rencontrées dans cette voie est le fait que les kératinocytes obtenus ne possèdent pas toutes les fonctionnalités des cellules souches adultes. Ils sont notamment déficients au niveau de leur potentiel de prolifération. L’étude a permis de montrer que la manipulation de l’expression de KLF4 est également adaptée à ces cellules, car la diminution de son expression dans les kératinocytes dérivés d’ESC améliore leur capacité de prolifération ainsi que leur capacité à reconstruire de la peau.

Des cellules souches de peau humaine multipliées en culture peuvent être utilisées pour régénérer l’épiderme© LGRK, IRCM, CEA-Jacob

1 Une cellules souche fonctionnelle est capable de régénérer l’épiderme pendant toute la vie de l’individu. Ceci grâce à une capacité de prolifération à très long terme, un caractère immature et une capacité d’organisation en trois dimensions.
2 Xénogreffe de peau reconstruite humaine sur un modèle animal

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Des neurones en ébullition pendant le sommeil

COMMUNIQUÉ | 27 JUIN 2019 - 11H11 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

NEUROSCIENCES, SCIENCES COGNITIVES, NEUROLOGIE, PSYCHIATRIE

Une équipe Inserm décrit pour la première fois le comportement et le langage des neurones qui assurent la consolidation de la mémoire pendant le sommeil. Bien loin de l’organisation statique et linéaire supposée, les chercheurs de l’Inserm montrent que le rôle des neurones varie rapidement au cours du temps et que le trajet de l’information change en permanence. Ces travaux sont parus dans Science Advances.

Les cellules du cerveau échangent constamment des informations. Pendant le sommeil, cela sert notamment à consolider la mémoire. Mais la façon dont ces échanges se font reste encore mal connue. L’électroencéphalogramme, qui permet de mesurer l’activité électrique globale du cerveau, montre des ondes régulières plus ou moins rapides selon les phases de sommeil, mais il ne permet pas de savoir comment est traitée l’information à l’échelle du neurone. Voilà qui est fait grâce à l’équipe de Christophe Bernard (Institut de Neuroscience des Systèmes – Inserm U1106). Pour y parvenir, l’équipe a utilisé des électrodes afin d’enregistrer l’activité électrique d’une centaine de neurones concentrés dans une région donnée. Ce sont ces signaux électriques qui portent l’information. Trois zones connues pour être impliquées dans la mémoire ont été enregistrées chez des rats pendant leur sommeil : l’hippocampe, le cortex préfrontal et le cortex entorhinal.

« D’après la régularité des ondes dans l’encéphalogramme, nous imaginions que les neurones fonctionnaient selon un schéma bien précis et répétitif pour transmettre les informations ou les stocker (un peu à la manière d’une machine industrielle bien réglée). Or les enregistrements montrent qu’il n’en est rien », clarifie Christophe Bernard.
Des groupes de neurones s’organisent entre eux pendant des temps très courts pour stocker et transmettre de l’information, et se relaient en permanence au cours du temps. Et au sein de chaque groupe, seuls quelques neurones jouent un rôle prépondérant. « Il y a ainsi une succession de sous-états avec au final, environ la moitié des neurones de ces trois régions qui jouent un rôle clé dans le traitement de l’information à un moment ou à un autre. Autrement dit, il n’y a pas de hiérarchie établie au sein des neurones, mais plutôt une répartition équilibrée des rôles », explique Christophe Bernard.

Une circulation fluide
L’autre découverte majeure est que, pendant un sous-état donné, l’information ne suit pas toujours le même chemin. « Ce fut une surprise car la théorie dominante était que le transfert de l’information suivait un trajet fixe. Or, nous constatons que ce n’est pas le cas. Dans le cerveau, les partenaires avec lesquels un neurone échange fluctuent d’un instant à l’autre. Cela se passe un peu comme sur internet, illustre le chercheur.
Un mail qui part de Paris vers Sydney, passera par des serveurs situés dans différents pays au cours de son acheminement et ces serveurs varieront au cours de la journée en fonction du trafic. Dans le cerveau c’est pareil : même quand l’information est la même, les itinéraires qu’elle emprunte ne sont pas fixes et les partenaires changent sans arrêt ».

Enfin, ces travaux ont permis de décoder le type de langage que les neurones parlent. Si un sous-état correspond à un « mot », la séquence de sous-états constitue une phrase. Même si la signification des mots et des phrases échappe encore aux chercheurs, ces derniers ont pu établir que le langage parlé par les neurones est complexe, ce qui permet d’optimiser le traitement de l’information. Un langage simple contient très peu de mots ; il est facile à apprendre mais il est difficile de convoyer des notions complexes. Un langage chaotique contient un mot pour chaque situation possible, et est impossible à apprendre. Le langage des neurones est complexe, comme pour les langues humaines. A noter que cette complexité est supérieure lors du sommeil paradoxal (celui des rêves) que pendant le sommeil lent.

Les chercheurs vont maintenant regarder ce qu’il en est en cas d’éveil, de réalisation de taches particulières ou encore en cas de pathologies. Ils vont notamment étudier le lien possible entre les pertes mnésiques chez les sujets épileptiques et la complexité du langage neuronal.

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