Fonctionnement du cerveau, le mécanisme 
L’ordre le plus fondamental et le plus dominant de l’univers est le principe de l’évolution.
Les hommes préfèrent croire qu’ils sont des anges dégénérés plutôt que des singes élevés….
Un organe, bien sûr, comme le cœur ou le foie. Mais un organe pas comme les autres. Voici ce qui se cache dans notre boîte crânienne, parmi les replis de notre cerveau. On parle ici de la tête pensante, du chef d’orchestre de tous les autres organes, du centre névralgique du système nerveux. Les informations provenant de l’extérieur et de l’intérieur du corps ? C’est lui qui les intègre. Les mouvements ? C’est lui qui les contrôle.
Il faut bien préciser que la transformation de réflexes conditionnels du monde animal aux réflexes signaux secondaires du monde humain est une mutation énorme telle la fin de la phase biologique et l’apparition de l’évolution sociale, de l’homme social. Le Cerveau humain est donc le résultat de presque 14 milliard d’année de l’évolution permanente et sans arrête de notre Univers.
Nos pensées, notre mémoire, le langage, les émotions, jusqu’à la moindre de nos fonctions cognitives ? Il les gère. Tout en se gérant lui-même. Pas étonnant, du coup, qu’il soit l’organe le mieux protégé de notre corps, enchâssé dans sa boîte crânienne qui constitue autant un écrin qu’une armure. Et qu’il consomme, à lui seul, 20 % de l’énergie totale nécessaire au fonctionnement de notre organisme, alors que son poids n’excède pas 2 % de notre poids total. Pourtant, vu de l’extérieur, le cerveau ne paie pas de mine : on dirait une noix. Avec ses deux hémisphères rosâtres, un droit et un gauche, tout en bosses (circonvolutions) et en creux (sillons), réunis par un réseau de fibres blanchâtres (corps calleux).
Ces hémisphères sont organisés en quatre lobes, qui se distinguent plus par leur fonction que par leur anatomie : à l’avant, le lobe frontal est le siège du raisonnement, du langage, de la coordination des mouvements volontaires ; au-dessus, le lobe pariétal est en charge de la conscience du corps et de l’orientation dans l’espace ; sur le côté, le lobe temporal se charge de l’audition, du goût, de la mémoire et des émotions et enfin, à l’arrière, le lobe occipital intègre des messages reçus et gère la vision. Huit aires cérébrales sont plus spécifiquement dédiées à certaines de ces fonctions.
Parmi les plus connues, on trouve l’aire d’association visuelle qui reconnaît les signaux visuels et évalue leur signification, l’aire de Wernicke qui traite les mots en les transformant en idée ayant du sens, ou encore l’aire d’association sensorielle où les perceptions ressenties par le corps (via le toucher, etc.) sont interprétées et comparées à des expériences antérieures similaires. Rien d’autre ? Si, quatre cavités (les ventricules cérébraux) où circule le liquide céphalorachidien dans lequel baigne le cerveau.
Des milliards de neurones, mais pas seulement…
Voilà pour la géographie cérébrale… Mais le cerveau, c’est aussi de la géologie : en le pénétrant, on traverse différentes strates. Trois principales se distinguent : une superficielle, le cortex, constituée par la substance grise – le corps de nos milliards de cellules nerveuses, les célèbres neurones. Juste en dessous se trouve la zone sous-corticale et sa substance blanche correspondant aux prolongements (axones) des neurones. Enfin, au cœur de la substance blanche trônent les noyaux gris centraux, ou ganglions de la base. Si les neurones sont les cellules stars du cerveau, ils ne sont pas – et de loin ! – les seuls à peupler notre encéphale. Cinq à cinquante fois plus nombreuses sont les cellules gliales, ou cellules de soutien, qui nourrissent, protègent, isolent et nettoient les neurones. Et dont de récentes recherches suggèrent qu’elles revêtiraient des rôles encore plus complexes qu’on ne le pensait jusqu’ici. Sans elles, ceux-ci ne seraient rien.
Le cerveau en chiffres
- Il consomme 20% de l’oxygène inhalé, 15 % du débit cardiaque, 20% de l’énergie totale du corps
- Le plus long prolongement d’un neurone, un axone, mesure 1 m
- Il contient 1 050 ml d’eau, 150 ml de liquide céphalorachidien, 150 ml de sang
- Son poids 1 400 g pour un homme, 1 250 g pour une femme
- La vitesse de l’influx nerveux varie de 0,2 à 120 m/s
- Sa surface : 2 m2 déplié
- Il compte 86 à 100 milliards de neurones, 500 à 5 000 milliards de cellules gliales, 1 000 à 10 000 connexions pour chaque neurone
- Dans un neurone, il y a 10 à 12 % de lipides, 77 à 78 % d’eau, 1 à 2 % de glucides, 8 % de protéines
L’essentiel sur « Le cerveau »
Organe complexe, le cerveau et son fonctionnement restent la source de nombreux mystères. Découvrez dans cette fiche « L’essentiel sur… » la composition du cerveau, son organisation, les moyens d’exploration du cerveau ou encore le processus d’apprentissage de la lecture chez l’Homme.
A quoi sert le cerveau ? Protégé par la boîte crânienne, le cerveau est l’organe qui fait office de chef d’orchestre pour tous les membres et organes du corps humain. Il centralise les informations et renvoie des messages aux différents membres. Il se compose de deux hémisphères reliés : l’hémisphère gauche et l’hémisphère droit, qui contrôlent chacun la partie du corps qui lui est opposée. La main droite sera donc contrôlée par une partie de l’hémisphère gauche.
De quoi est composé le cerveau ?
On distingue deux catégories de tissus dans le cerveau : la matière grise et la matière blanche. La matière grise est faite des corps cellulaires des neurones, de leurs dendrites et d’autres cellules. Elle est responsable de notre activité sensori-motrice et de nos fonctions cognitives comme la lecture, le calcul, l’attention, la mémoire… Les neurones sont des cellules du cerveau qui servent à transmettre les informations. Ils sont tous interconnectés et communiquent entre eux par messages électriques et chimiques au travers de milliers de petites branches appelées dendrites sur lesquelles se terminent les axones, prolongement des neurones pour transmettre l’information à distance.
Ce message est transmis au corps cellulaire pour y être traité. L’information est émise sous la forme d’un message électrique le long de l’axone, une partie de la cellule qui fait office de route pour l’information. L’axone se ramifie ensuite pour distribuer le message aux autres neurones. Puisque les neurones ne se touchent pas, le message électrique est transformé en message chimique pour être capté par les dendrites de l’autre neurone. La matière blanche est, quant à elle, constituée de ces axones, enveloppés d’un manchon graisseux de myéline, reliant les différentes régions de matière grise afin qu’elles échangent leur information.
Quelle est l’anatomie du cerveau ?
Chacun des hémisphères du cerveau est divisé en cinq régions (quatre extérieures et une enfouie : le cortex insulaire ou Insula). Ces lobes sont composés de zones plus petites qui gèrent des fonctions précises. Elles sont appelées aires cérébrales. On en dénombre aujourd’hui près de 200 par hémisphère. Dans ces zones les neurones sont spécialisés dans une fonction précise comme transmettre un message visuel, sonore, sensitif… Les zones des différents lobes coopèrent pour réaliser les tâches complexes. Par exemple, le langage fait intervenir plusieurs zones de différents lobes pour nous permettre de parler ou lire.
Le lobe frontal est le siège de la parole, du langage et du raisonnement. Il a également la fonction de gérer les mouvements des membres.
Le lobe pariétal est la partie qui va s’occuper du repérage dans l’espace, des sens et de la lecture
Le lobe occipital est dédié à la vision 
Le lobe temporal est la zone où se situent le langage, la mémoire et l’émotivité.
Le cortex insulaire ou Insula est spécialisé dans la perception de soi/sa conscience, dans la socialisation et impacte également les émotions.
Les régions associées à certaines fonctions sont localisées à des endroits variant légèrement d’un individu à l’autre. Par ailleurs, la spécialisation hémisphérique de certaines fonctions comme le langage varie : elle est majoritairement située dans l’hémisphère gauche chez les droitiers mais peut se situer dans l’hémisphère droit, comme chez la plupart des gauchers. Ces différentes régions du cerveau sont connectées pour combiner les messages. C’est cette coopération des zones qui permet, par exemple, la reconnaissance de visages ou de lieux.
Comment le cerveau permet-il d’apprendre à lire ?
Les zones du cerveau s’adaptent et interagissent ensemble en fonction des besoins et des tâches réalisées. Lorsque l’on apprend à lire, une zone du cerveau, située entre les lobes occipital et pariétal, va se spécialiser dans la reconnaissance et la mémorisation des lettres et des mots. Dans l’apprentissage de la lecture, l’aire auditive du lobe temporal est également nécessaire pour faire correspondre ce qui est écrit à un son déjà appris. Dans la lecture, les neurones de l’aire visuelle vont se connecter à ceux de l’aire auditive. Cette connexion permet de déchiffrer le mot et de l’entendre dans sa tête. A ce stade, le mot est entendu mais pas encore compris. Il faut donner du sens à ce message sonore. Pour cela l’aire auditive est connectée à l’aire de Wernicke, la partie du cerveau qui comme un dictionnaire, donne le sens des mots entendus. Si l’assemblage de phonèmes (briques sonores qui constituent les mots) ne correspond pas à un mot connu, le cerveau va mémoriser à la fois le sens, le son du mot et son écriture.
Comment explore-t-on le cerveau ?
Arriver à observer le cerveau ne va pas de soi car il est abrité par la boîte crânienne. L’observer est essentiel pour comprendre son fonctionnement, l’apparition et le développement des maladies. La méthode d’imagerie la plus ancienne, la radiographie (rayons X) est peu informative pour étudier le cerveau car les rayons X sont en grande partie absorbés par l’os de la boîte crânienne. Le scanner à rayons X, grâce à des capteurs très sensibles et un couplage informatique, permet de voir le cerveau et est utilisé en routine en médecine. Outre le scanner X le cerveau est exploré à l’aide de 3 autres grandes familles d’imagerie, qui font appel à des principes physiques différents : l’activité électrique et magnétique du cerveau, la radioactivité ou la résonance magnétique de certains noyaux atomiques.
L’électroencéphalographie (EEG)
L’électroencéphalographie mesure des signaux électriques produits par l’activité des neurones. Elle est très utilisée pour localiser les foyers épileptogènes (endroit où se situe la source d’une crise d’épilepsie) ou pour rechercher une signature spécifique de l’état de conscience des patients en situation de coma. Cet outil est parfois associé à la magnéto encéphalographie (MEG) qui est un outil de mesure de l’activité magnétique du cerveau associée aux courants produits par les neurones. L’atout de l’EEG et de la MEG est leur résolution temporelle, de l’ordre de la milliseconde. La MEG qui n’est pas perturbée par l’os et le scalp (cuir chevelu) génère des signaux plus propres.
L’imagerie nucléaire : la tomographie par émission de positons (TEP) ou de photons
La tomographie par émission de positons (TEP) ou tomographie par émission de photons sont des méthodes qui s’appuient sur des principes de la physique nucléaire pour étudier ce qu’il se passe dans le corps humain. Ces techniques offrent une analyse quantitative des réactions biochimiques du corps, comme par exemple la neurotransmission (transmission des informations entre les neurones) Pour cela, les médecins injectent au patient des molécules (appelées « traceurs ») combinées avec des éléments faiblement radioactifs qui ciblent les régions du corps où ont lieu les processus biochimiques à analyser. Pour ces examens, les atomes radioactifs utilisés ont une demi-vie relativement courte (6 h pour le technétium 99m, l’isotope le plus utilisé, 13 h pour l’iode 123) et leur radioactivité a disparu au bout de quelques jours (10 demi-vies).
L’imagerie par résonance magnétique (IRM)
L’IRM repose sur les propriétés magnétiques des atomes d’hydrogène des molécules d’eau qui composent à plus de 80 % le corps humain. L’atome d’hydrogène possède un « moment magnétique », ou spin, qui agit comme un aimant. L’appareil IRM consiste à créer un champ magnétique puissant grâce à une bobine. Le patient est placé au centre de ce champ magnétique, et toutes les molécules d’eau présentes dans le corps vont s’orienter selon la direction du champ magnétique. Une antenne placée sur la partie du corps étudiée va permettre d’émettre et de réceptionner une onde radiofréquence spécifique des atomes d’hydrogène. A l’émission, la fréquence induite va faire basculer l’aimantation des noyaux des molécules dans un plan perpendiculaire aux champs magnétiques de l’IRM. Lorsque l’antenne arrête d’émettre, l’aimantation revient à la position d’origine en émettant à leur tour une fréquence captée par l’antenne. Celle-ci est ensuite traitée comme un signal électrique et analysée par des logiciels. Le signal diffère selon que les tissus observés contiennent plus ou moins d’eau.
Quels sont les enjeux de la recherche sur le cerveau ?
Les deux principaux enjeux de la recherche sur le cerveau sont : l’acquisition de nouvelles connaissances fondamentales sur le fonctionnement de l’organe (au niveau microscopique et macroscopique) et la compréhension des maladies ou troubles qui l’affectent. Pour cela il faut rechercher de nouveaux signaux de l’activité neuronale, mettre au point de meilleurs outils d’imagerie médicale et concevoir de nouveaux traceurs.
NOTIONS CLÉS
La matière blanche du cerveau est constitué d’axones qui relient les différentes régions de matière grise afin qu’elles échangent leurs informations.
La matière grise est faite des corps cellulaires des neurones, de leurs dendrites et d’autres cellules. Elle est responsable de notre activité sensori-motrice et de nos fonctions cognitives comme la lecture, le calcul, l’attention, la mémoire
Les neurones sont des cellules du cerveau qui servent à transmettre les informations. Ils sont tous interconnectés et communiquent entre eux par messages électriques et chimiques au travers de branches appelées dendrites sur lesquelles se terminent les axones pour transmettre l’information à distance. La partie qui traite les informations du neurone s’appelle le corps cellulaire.
LE SCANNER X
Entre 1970 et 1973, la révolution de l’imagerie est en marche ! Godfrey Newbold Hounsfield et Allan McLeod Cormack remplacent le film photographique utilisé en radiographie par des capteurs électroniques très sensibles aux rayons X. Ils associent leur dispositif avec un ordinateur pour reconstruire le contenu du corps coupe par coupe. C’est le scanner à rayons X. Son invention leur vaudra le prix Nobel de médecine en 1979. Le scanner X est aujourd’hui une forme d’imagerie médicale de référence utilisée dans le monde entier.
LA MEG
Après la mesure de l’électricité, place à celle du champ magnétique. A la fin des années 1960, le physicien nord-américain David Cohen cherche à enregistrer les très faibles champs magnétiques induits par l’activité électrique des neurones. Après une première tentative infructueuse, il y parvient en 1972. David Cohen utilise alors des capteurs très sensibles inventés deux ans plus tôt par James Zimmerman, les SQUIDs. Plus tard, à partir des années 1980, les premiers appareils de magnétoencéphalographie (MEG) performants voient le jour. Grâce à la MEG, les chercheurs enregistrent de meilleurs signaux de l’activité des neurones, même dans les zones profondes du cerveau. Cependant, la MEG reste peu utilisée.
Repousser les limites de l’imagerie médicale, l’objectif du projet ISEULT :
Le projet ISEULT est un projet international qui répond aux enjeux de recherche fondamentale sur la compréhension du cerveau humain. L’un de ses objectifs est de construire l’aimant le plus puissant au monde avec un champ magnétique de 11,7 teslas (actuellement les IRM de recherche clinique les plus avancés possèdent un champ magnétique compris entre 9 et 10,5 teslas). Il pourra observer le cerveau avec une précision spatiale et temporelle jamais atteinte qui permettra, peut-être, de découvrir le code neural, c’est-à-dire le fonctionnement et l’organisation de groupe de cellules cérébrales, l’agencement spatial de neurones et la connectivité cérébrale.
https://www.science-et-vie.com/questions-reponses/qu-est-ce-que-le-cerveau-10835?uid=NTk0NDIy
https://www.cea.fr/comprendre/Pages/sante-sciences-du-vivant/Essentiel-sur-le-cerveau.aspx
https://lecerveau.mcgill.ca/flash/d/d_06/d_06_cr/d_06_cr_mou/d_06_cr_mou.html