Cours : Neurobiologie

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Découverte de la Neurobiologie

Définition : C'est l'étude du système nerveux et de son fonctionnement et reste une des grandes énigmes en biologie. De grandes questions n'ont toujours pas de réponse.

I ] Présentation du système nerveux

1) Organisation générale du système nerveux

Dans le système nerveux, se trouvent :

  • Les centres nerveux :
    • L'encéphale constitué de :
      • Deux hémisphères cérébraux
      • Du cervelet
      • Du bulbe rachidien
    • La moelle épinière
  • Les nerfs :
    • Les nerfs rachidiens
    • Les nerfs crâniens

La moelle épinière est protégée par la colonne vertébrale

L'encéphale est protégé par la boite crânienne

2) Fonctions du système nerveux

A l'extrémité d'un nerf se trouvent les récepteurs sensoriels :

  • Yeux
  • Oreilles
  • Récepteurs cutanés
  • Récepteurs articulaire
  • Récepteurs musculaires

Une des fonctions du système nerveux est la réception d'une information qui vient soit de l'extérieur, soit de l'intérieur

Les récepteurs sensoriels sont reliés aux nerfs sensoriel qui permettent la conduction de l'information afférente vers les centres nerveux, ces derniers permettant le traitement de l'information. Les centres nerveux renvoient l'information vers les nerfs moteurs qui ont pour rôle la conduction de l'information efférente vers des effecteurs qui vont contrôler :

  • Les muscles
  • Les glandes

On obtient donc une réponse du système le plus souvent motrice mais qui peut aussi être une répons hormonale.

Conclusion : Le système nerveux reçoit l'information, la traite et répond de façon adaptée à cette information. Le système nerveux contrôle et harmonise la réponse des différents effecteurs.

3) Les neurones, unités de base du système nerveux

Le système nerveux est constitué de 10% de neurones mais se sont eux qui assurent toutes les fonctions du système nerveux. Les 90 % restants sont les cellules de la névroglie qui servent à soutenir et à nourrir les neurones. Un neurone est une cellule spécialisée dans la conduction de l'information nerveuse. Un même neurone peut contenir des milliers de synapses (liaison entre terminaison et dendrite). Ainsi les neurones forment un réseau très complexe et pas forcément linéaire

Le message nerveux est un message électrique qui se transmet le long des dendrites, du corps cellulaire et de l'axone. Mais le neurone n'est pas un simple conducteur, le message électrique n'est pas atténué, c'est une conduction active qui va mettre en jeu de l'énergie pour éviter l'atténuation. Pour pouvoir transmettre son message, il doit avoir au repos une différente de potentiel transmembranaire

La dépolarisation va :

  • ouverture des canaux Na+ (passifs - augmente la dépolarisation
  • ouverture des canaux K+ - nouvelle polarisation Hyper polarisation = période réfractaire pendant laquelle pas de potentiel d'action possible (1 ms)

Grâce aux pompes la ddp est la même pour chaque potentiel d'action et partout dans le neurone. C'est la loi du tout ou rien, soit il y a un potentiel d'action, soit il n'y en a pas. L'information transmise par le neurone est une information électrique binaire :

  • oui : potentiel d'action
  • non : pas de potentiel d'action

Mais l'information est graduelle pour un neurone sur une période de temps donnée (variation de fréquence) Les neurones transmettent une information qui pour un neurone transmet une information binaire à un moment donné, mais qui pour une période donnée et pour une multitude de neurones, l'information est graduelle et peut être très complexe (chaque neurone reçoit les informations d'un millier d'autres neurones).

Deux codages sont possibles :

  • un codage fréquentiel : variation de fréquence
  • un codage corrélationnel basé sur la corrélation des potentiels d'actions entre les différents neurones

La transmission d'une information d'un neurone à l'autre se fait au niveau de la synapse : Il n'y a pas de continuité de la membrane entre les deux neurones, donc l'information électrique part de la membrane de l'axone, se transforme en information chimique, traverse la synapse, et au contact de la dendrite du neurone suivant, se retransforme en information électrique. Le messager chimique qui va transmettre l'information est un neurotransmetteur. A l'arrivée du PA (potentiel d'action) , il va y a voir entrée de Ca2+ et libération du contenu des vésicules à neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Le neurotransmetteur se fixe sur les récepteurs à neurotransmetteurs, ils vont s'ouvrir et permettre la rentrée de Na+ qui va engendrer la génération d'une dépolarisation. 1 neurone a une grande fonction intégratrice, il reçoit les informations de millier de neurone et en fait une sommation avec seuil qui va ou pas engendré un potentiel d'action. Il y a en tous 1010 unités.

4) Problématique

Comment les 1010 unités peuvent donner les réponses intégrés du système nerveux. Comment se transfèrent les informations dans ce réseaux inter-connectés ? Certains cas simples sont connus comme les réflexes.

II ] Le réflexe myotatique

Le réflexe myotatique est un exemple de fonctionnement du système nerveux où toutes les étapes sont parfaitement connues, de la réception de l'information à l'action motrice. Le réflexe myotatique est une contraction réflexe d'un muscle extenseur en réponse en réponse à un allongement involontaire de ce muscle. Exemple connu : le réflexe rotulien, le réflexe achiléen

1) Voies nerveuses et centre nerveux

Stimulation : étirement du muscle => récepteur sensoriel => voie nerveuse sensorielle (nerf sciatique) => centre nerveux (moelle épinière) => voie nerveuse motrice (nerf sciatique) => muscle : contraction D'après les données médicales, s'il y a lésion de la moelle épinière, il y a annulation du réflexe myotatique donc la moelle épinière est impliquée dans ce réflexe.

Une compression du nerf sciatique va annuler le réflexe myotatique dans la jambe, il y a intervention du nerf sciatique Les expériences de physiologie montrent des grenouilles décérébrées qui ont toujours des réflexes myotatique Une autre étude expérimentale a montré que si l'on fait une stimulation électrique du nerf sciatique, on obtient deux contractions, une rapide (5 ms) et une lente (30 ms = temps pour une stimulation mécanique) donc on a stimulé les voies nerveuses sensitives et les voies nerveuses motrices. Le même nerf gère les informations afférentes et efférentes.

2) Les neurones impliqués

Voie nerveuse sensitive passent par la racine dorsale alors que les voies nerveux motrices passent par la racine ventrale, c'est un réflexe monosynaptique Ce réflexe s'accompagne d'une deuxième voie qui permet de décontracter le muscle fléchisseur. Ce réflexe est disynaptique (il fait intervenir un deuxième neurone). Ce deuxième neurone moteur innerve le muscle fléchisseur Les récepteurs sensoriels se trouvent dans le muscle et se nomment fuseau neuromusculaire

3) Récepteurs sensoriels

Ce réflexe doit être valable quel que soit le degré de contraction du muscle le système nerveux central va contracter les fibres du fuseau et les fibres du muscle pour capter les changements de longueur du muscle Ce réflexe sert au maintien de la posture, il permet de compenser toutes les perturbations extérieures sans faire intervenir le système nerveux centrale. Quand la tension du muscle est trop forte, il y a une inhibition de ce réflexe. Il y a donc un deuxième capteur dans le muscle L'organe neuro-tendineux mesure la tension du muscle

4) Rôle du réflexe myotatique

Le rôle du réflexe myotatique est de maintenir la longueur des muscles extenseur par compensation des perturbations de longueur. Ceci permet de maintenir la posture sans contrôle des centres supérieurs, en libérant le cerveau pour d'autre tâches. Tant qu'il n'y a pas de nouveau contrôle en provenance du cerveau, ce réflexe garde la position du muscle constante. Ce réflexe peut devenir dangereux s'il cherche à compenser des perturbations trop puissantes. Il y a donc un deuxième réflexe qui vient annuler le premier lorsque la tension dans le muscle est trop forte.

III Etude de l'activité cérébrale

4 grands types de méthodes :

  • L'analyse des fonctionnements et des dysfonctionnements
  • Techniques d'imagerie cérébrales
  • Modèles animaux
  • Apport de la modélisation

1) L'analyse des fonctionnements et des dysfonctionnements

a) La psychophysique (science qui étudie le fonctionnement)

La psychophysique a pour but de mesurer la capacité cognitive d'un sujet à l'aide de tests qui sont censés impliquer un seul type de capacité cognitive. ex : Il y a deux types de mémoire : la mémoire à long terme et la mémoire à court terme. On demande au sujet de mémoriser une liste de chiffres : Il est capable de retenir 7 à 8 chiffres (empan mnésique qui varie d'un sujet à l'autre) dans les secondes qui suivent : mémoire à court terme On demande au sujet de faire un effort de mémorisation de la liste et de la retenir, il est capable de restituer la liste deux mois après. C'est la mémoire à long terme Mesure des temps de latence : temps que met le sujet pour réaliser une tâche après lui avoir demandé. Etude des Illusions perceptives : on mesure des distorsions qui sont apportées par le cerveau à une information perceptive qui est juste.

Causes de ces distorsions : en général cela provient de l'interprétation de l'image. Par exemple

  • Le cerveau peut ajouter une information manquante
  • Utiliser les connaissance a priori que le cerveau a comme la perspective.
  • Le cerveau va aussi se focaliser sur un objet qui va devenir un tout.
  • Le cerveau va aussi utiliser les contrastes

b) Les lésions cérébrales et l'étude de leur conséquences

Les destructions des tissus du cerveau qui peuvent être créées soit par un élément externe (accident de voiture, guerre) soit des causes internes comme des accidents vasculaires soit des tumeurs cérébrales. Ces lésions ont permis de mettre en évidence une carte des fonctions cérébrales : 4 lobes principaux du cerveau : Lobe frontal Lobe occipital Lobe pariétal Lobe temporal Les personnes qui présentent une lésion dans le cortex occipital présentent comme symptôme des troubles de la vision alors que les yeux sont parfaitement fonctionnels.

Si la lésion est uniquement du côté droit, la personne va avoir des troubles dans leur hémi-champ gauche et inversement car il y a un croisement des voies entre les yeux et le cerveau. Si une personne perd toute la partie occipitale, la personne devient aveugle et perd toute la mémoire visuelle, plus aucune image en tbete, n'est pas consciente d'avoir perdu la vision. Les lésions du cortex pariétal vont créer comme symptômes, des troubles de la proprioception (ce qu l'on sent de son propre corps), perte des sensations corporelles et de la représentation du corps

Les lésions du cortex temporal vont créer comme symptômes des troubles de l'audition, des troubles de la parole, de l'apprentissage, de la mémoire et des troubles de l'émotion. ex : - aire de Wernicke gauche : incapacité de comprendre les mots et les phrases - aire de Wernicke droite : comprend les phrases mais ne comprend pas le sens de l'intonation Syndrome de Korsakov c'est quelqu'un qui se rappelle tout ce qui lui est arrivé avant l'accident, qui a une mémoire à court terme parfaite par contre il est incapable de retenir plus de quelques secondes tout ce qui lui est arrivé après l'accident. Ils sont incapables de faire la liaison de la mémoire à court terme à la mémoire à long terme.

Les lésions du cortex frontal provoquent des troubles du contrôle des mouvements, de la projection dans le futur et de la planification des actions, trouble des relations sociales. Aire de Broca gauche : Incapacité à fabriquer des phrases grammaticalement et sémantiquement correctes alors que la production des sons n'est pas atteinte, et compréhension de la parole. Aire de Broca droite : incapacité de mettre de la prosodie dans leurs phrases. Phineas Gage : En 1848, il fabriquait des chemins de fer et s'est projeté une barre à mine brûlante dans le cerveau. Il ne présentait aucun symptôme au début puis il ne se rendait plus compte des conséquences de ses actes, il ne faisait que ce qui lui plaisait, il n'avait plus aucune projection dans le futur. De lésions profondes de l'hémisphère cérébral droit provoque une hémi-négligence à gauche et inversement (il n'ont pas conscience qu'il y a quelque chose à gauche)

c) Les troubles neurochimiques

Les troubles de la chimie du cerveau qui provoquent certains symptômes et l'étude de la corrélation entre les troubles neurochimiques et les symptômes associés permettent de comprendre le rôle des substances chimiques du cerveau : Ex : la schizophrénie : 1 des psychoses les plus fréquentes, idées délirantes, hallucinations, une coupure avec la réalité, un illogisme dans les discours et ils devaient être tous internés jusqu'à la découverte d'une molécule : chlorpromazine qui atténue les symptôme de la schizophrénie (= réserpine, halopéridol).

La réserpine vide le cerveau de la dopamine (neurotransmetteur qui se trouve surtout dans le striatum) Halopéridol et chlorpromazine : inhibe les récepteur à dopamine Donc la schizophrénie et donc due à un excès de la dopamine dans le striatum (responsable de la coordination harmonieuse des mouvements, maladie de parkinson s'il n'y a pas assez de dopamine dans le striatum) et un excès de dopamine dans le système limbique ( qui intervient dans le contrôle des conduites émotives et affectives).

La deuxième psychose très grave est la psychose maniaco-dépressive qui peut avoir trois formes :

  • passage alternatif de la manie à la dépression
  • manie
  • dépression

Les anti-dépresseurs sont des inhibiteurs d'un inhibiteur de neurotransmetteurs : la noradrénaline et la sérotonine ou des inhibiteurs du recaptage de la noradrénaline et de la sérotonine. La psychose maniaco-dépressive correspond à un manque de neurotransmetteurs en particulier dans le système limbique La découverte d'une autre drogue qui permet de traiter la psychose maniaco-dépressive : le lithium (Li+) remet en cause la théorie d'un manque de neurotransmetteur

2) Techniques d'imagerie cérébrale

Avant les techniques d'imagerie cérébrales, pour savoir quelles parties du cerveau étaient touchées dans tel ou tel syndrome, il fallait en général attendre la mort du patient pour faire des études anatomiques post mortem. Les techniques d'imagerie cérébrale permettent de visualiser la morphologie et l'activité du cerveau in vivo. Il y a deux grands types de techniques d'imagerie cérébrales, les techniques d'imagerie morphologiques et fonctionnelles.

a) Techniques d'imagerie morphologique

  • Le scanner à rayons x
  • L'imagerie par résonance magnétique

Le scanner à rayons x est un procédé radiologique qui a été mis au point en 1972 et qui a valu à son inventeur le prix nobel. Ce procédé a été la première révolution informatique de l'imagerie car c'est un procédé qui allie des techniques d'imagerie classiques et des techniques informatiques qui permettent de reconstituer une modélisation en 3D du cerveau. Scanner signifie balayage. Le principe du scanner à rayons x consiste à balayer le cerveau avec un dispositif qui associe un tube à rayons x et un détecteur de rayons.

Comme tous les tissus n'absorbent pas les rayons de la même façons, au niveau du détecteur, il devient possible de mesurer des variations de densité :

  • 0 pour l'eau
  • 1000 pour l'os
  • 60 pour la matière grasse

Les tissus du cerveau vont avoir des densité différentes car ils ont des compositions différentes en eau et en matière grasse. Après balayage, on calcule par ordinateur, la densité en chaque point de l'espace balayé et on fait une carte 3D de densité ce qui va donner une indication sur la nature des tissus . On va donc faire une reconstitution anatomique du cerveau. C'est une technique assez longue. L'avantage est que les lésions vont être visibles car elles vont avoir des densités différentes.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM). C'est une méthode d'imagerie plus récente, elle n'est plus fondée sur l'absorption des rayons x mais sur le magnétisme des différents tissus. Sachant que tous les noyaux atomiques des tissus sont magnétisés. Le principe de la méthode est de provoquer un déséquilibre de l'aimantation naturelle des noyaux atomiques des tissus par une onde a faible fréquence et on mesure le rétablissement dans le temps de cet aimantation, ce temps dépendant des tissus. La mesure de ces champs magnétiques qui se rétablissent donnent une idée du type de tissus. En particulier, un des caractères qui permet de différencier les tissus et leur densité en noyaux d'hydrogènes. Les capteurs localisent le champs magnétique dans chaque micro volume du cerveau et reconstitue une image en 3D

Cet examen est impossible si la personne a quelque chose de métallique sur elle par contre, cette technique a de gros avantages par rapport au scanner :

  • Pas d'exposition aux rayons
  • Résolution > ou égal au scanner
  • les os ne provoquent pas d'artefacts

L'IRM permet bien mieux que le scanner de localiser les petites anomalies, il permet de différencier les tissus normaux des substances anormales et de mettre en évidence des œdèmes, des tumeurs et les lésions qui en découlent. Il permet aussi de distinguer le cortex des autres tissus cérébraux et donc de mettre en évidence les hypertrophies du cortex. Les techniques d'imagerie morphologique permettent de repérer les problèmes anatomiques du cerveau sur un sujet vivant et sans intervention médicale. On met en évidence les malformations, on peut avoir des réponses sur l'origine des troubles comportementaux. Par contre on a aucune information sur le fonctionnement cérébral. D'autres techniques ont été mises au point pour visualiser l'activité du cerveau. Ensuite il suffit de superposer les images des deux techniques (morphologiques, activité) ce qui permet d'obtenir une carte de l'activité cérébrale, ce sont les techniques d'imagerie fonctionnelle.

b) Techniques d'imagerie fonctionnelle

- Analyse spectrale électroencéphalographique (EEG) Cette technique mesure les ondes électriques sur le crane grâce à des électrodes externes et ces ondes électriques reflètent l'activité neuronales sous-jacentes. Cette technique a permis de mettre en évidence par exemple différentes phases du sommeil et différents niveaux de vigilance. Quand le sujet et en état de veille attentive, il a une activité électrique dont la fréquence est situé entre 15 et 30 Hz, ce sont les ondes bêta. Un deuxième état de veille, est la veille diffuse, on est encore éveillé mais les sens sont au repos, cet état est caractérisé par une fréquence de 8 à 12 Hz, ondes dites alpha. Ensuite la personne s'endort.

Il y a trois type de sommeil :

  • Le sommeil lent ou léger : fréquence de 2 à 3 Hz
  • Le sommeil lent profond : fréquence de 0.5 à 1 Hz
  • Le sommeil paradoxal : fréquence de 30 Hz, partie ou l'on rêve

Ensuite on passe du sommeil paradoxal au sommeil lent léger ou à la veille diffuse puis on refait un cycle. Généralement 5 cycle chez un adulte durant une nuit normale. Pour l'analyse spectrale (Les EEG sont des signaux temporels qui ont une fréquence ) :

  • Etudier la l'importance de chaque fréquence de chaque signal temporel.
  • Ensuite un calcul informatique poussé pour essayer de trouver le point d'origine de l'activité qui s'est propagé vers les huit électrodes.

Cette méthode a une très bonne résolution temporelle par contre elle a une résolution spatiale assez faible. - Tomographie par émission de piste (TEP) Le principe de cette imagerie est d'utiliser un élément radioactif (Oxygène 15 ou carbone II). Ces éléments radioactifs en se désintégrant émettent un positon. Lorsqu'un position rencontre un électron, ils s'annulent l'un l'autre et toute leur énergie st transformée en deux photons gamma émit en coïncidence. Le principe consiste à injecter chez le sujet un produit radioactif (eau radioactive). La demi-vie de l'oxygène 15 est de deux minutes. Le cerveau quand il fonctionne, consomme plus de glucose et d'oxygène et va donc avoir besoin de plus de sang. Les parties qui travaillent sont donc les plus irriguées. Comme le sang est radioactif, on va repérer les zones actives car elles émettent plus de radioactivité. Une image témoin de la radioactivité du cerveau permet ensuite de connaître la zone qui a utilisé le plus de sang.

On peut donc savoir pour chaque tâche quelle est la zone du cerveau qui travaille. La tomographie a une résolution spatiale plus importante que l'analyse spectrale eletroencephalographique par contre elle ait une résolution temporelle moins bonne. - IRM fonctionnelle (IRMF) Elle mesure la densité magnétique de chaque tissus. L’hémoglobine a une densité caractéristique donc les mesures seront modifiées par les afflux de sang. En faisant une soustraction entre une IR sans tache et une IRM avec tache, on va situer la zone active. L'IRMF est une méthode en pleine expansion car elle a plein d'avantage : pas besoin d'injecter un produit radioactif, la résolution temporelle est bien meilleure que pour la TEP (0.02 s), une meilleur résolution spatiale (< 1 mm) Toutes les zones du cerveau sont interconnectées. Si on détruit les connections entre l'hémisphère droit et l'hémisphère gauche, la personne va avoir deux conscience, deux visions du monde.

3) Les modèles animaux et les méthodes invasives

Les méthodes invasives sont les méthodes qui vont être néfastes au sujet. Pour enregistrer l'activité à l'intérieur du cerveau, il faut ouvrir le crâne. Les méthodes invasives ne peuvent pas être utilisées chez le sujet humain pour la recherche mais peuvent être utilisées pour un but thérapeutique. Ces techniques de recherche invasives ne sont utilisées que chez les animaux. Ces méthodes ont deux buts :

  • Etudier la neurobiologie de l'animal
  • Si on choisit un animal proche de l'homme, on pourra transposer ces résultats chez l'homme.

Entre le singe et l'homme, il y a plus de 99% de similitudes de l'ADN, on peut donc supposer que le fonctionnement neurobiologique est le même (comparaison)

a) Enregistrement de l'activité neuronale

On peut faire des enregistrement en posant les électrodes (micro électrodes) à côté des neurones, il faut donc ouvrir la boite crânienne. Cet enregistrement ne se fait jamais chez l'homme sauf pour les épilepsie où il faut savoir où se développe l'épilepsie, il faut donc poser des électrodes à l'intérieur du cerveau. Comme on ne peut pas déclencher la crise, il faut attendre quelle se déclenche. Cette technique est plus fréquente chez les animaux. Deux façons d'enregistrer l'activité neuronale chez les animaux :

  • Prélever un échantillon de neurones, les mettre en culture et étudier leur activité (inconvénient : ne sont plus en interconnexion avec le reste du cerveau)
  • Enregistrer directement à partir du cerveau.

Les neurones étudiés sont en interconnexion avec le reste du cerveau mais ils sont plus difficiles à atteindre. Etude de l'axone géant du calmar et ses propriétés électriques in vitro Etude de l'axone géant de l'axone de calmar et ses propriétés in vivo :

  • Les neurones sont difficiles à atteindre
  • Lésion des neurones en faisant pénétrer les électrodes
  • Utilisation d'électrodes extracellulaires qui donnent une bonne idée des résultats

On obtient des enregistrements de ce type : On peut ainsi enregistrer les réponses en fonction d'une activité précise Par exemple en reliant les électrodes au cortex visuel Sans stimulation Sous stimulation Sous stimulation plus forte Ce neurone code l'intensité du stimulus en variation de fréquence des PA (potentiels d'actions)

Etude du cortex moteur du singe : On demande au singe de faire un mouvement

Chaque neurone a un angle préférentiel L'imprécision du codage est trop grande avec un neurone, on ne peut pas savoir quelle est la direction du mouvement. Les chercheurs ont donc étudié une population de neurones. Pour tous les neurones, ils ont mesuré leur angle préférentiel. Pour un mouvement donné, ils ont la fréquence de chacun des neurones pour un angle donné. Ils ont calculé la somme de fréquence multiplié par l'angle préférentiel de chaque neurone. On obtient un vecteur pondéré par la fréquence de décharge V> = Fi Vi> Ce vecteur sera égal au degrés près au mouvement effectué par l'animal.

L'activité d'ensemble de la population neuronale code pour un mouvement précis : codage populationnel Dans le même ordre d'idée, il a été utilisé des électrodes plus grosses qui enregistrent l'activité d'une population de neurones. On met en évidence que les activités des neurones sont synchronisées. Cette activité synchronisée n'est pas présente en permanence. Elle n'est présente que dans certains cas. Par exemple, on demande à un animal de faire une tache qu'il ne sait pas faire, on enregistre une activité non synchronisée. Par contre si on demande à un animal de faire une tache qu'il sait faire, l'activité va être synchronisées. On peut se servir de l'enregistrement de l'activité neuronale pour établir une cartographie : Il faut enregistrer l'activité d'un grand nombre de neurones qui se trouvent dans l'espace où l'on veut faire la carte. On sait alors un par un à quelle activité ils sont réactifs. Par exemple, des chercheurs ont enregistré dans le cortex sensoriel, l'activité des moustache du rat (vibrisses). On sait par imagerie quelle est la zone du cerveau concernée.

On met en évidence une cartographie exacte entre les vibrisses et la zone du cerveau. Si on coupe une vibrisse, la zone qui lui correspond ne répond plus et progressivement les zones d'à coté vont prendre un peut plus de place pour coder à la place de la vibrisse qui a disparu. Ainsi la cartographie du cerveau est plastique et peut se modifier, c'est la plasticité cérébrale. Chez les aveugles le système visuel va être utilisé pour leur repérage dans l'espace même s'ils n'ont plus de vision. Ils peuvent ainsi se représenter l'espace.

b) Stimulation électriques des neurones

Les neurones communiquent grâce à une activité électrique. On peut donc interférer en stimulant un neurone, on lui fait émettre un PA. Le but est de voir l'effet sur le comportement ou la sensation. Ce type d'étude n'est pratiquement jamais fait chez l'homme. Les neurochirurgien pendant la deuxième guerre devait soigner des lésions cérébrales et profitait de l'intervention pour faire des expériences. En particulier, ils ont travaillé sur la mémoire. Ils ont stimulé le cortex visuel et le patient a pu décrire des souvenirs très précis de périodes de sa vie donc l'activation de certaine zones du cerveau va déclencher la réminiscence de souvenirs. Cette stimulation va parfois permettre de donner bien plus de détails qu'en temps normal. Il existe des zones dont l'activation va permettre de retrouver (revivre) l'information. Cette réminiscence va souvent s'accompagner d'une activation de toutes les zones qui ont été activés le jour du souvenir.

On a beaucoup plus d'informations dans le cerveau que ce dont on est capable de se souvenir et donc l'oubli est une disparition pure et simple des informations soit juste une incapacité à les réactiver. En stimulant on peut donc retrouver des informations qui semblaient perdues. Chez les animaux les stimulations ne permettent pas d'étudier le cortex sensoriel, les stimulations sont donc faite sur le cortex moteur, ce qui a permis une cartographie très précise du cortex moteur. Une chose qu'on arrive à mettre en évidence chez l'animal sont les zones qui vont avoir une valeur position et les zones qui vont avoir une valeur négative. En proposant à l'animal de s'auto-stimuler, on a pu étudier le système limbique (siège des émotions); En effet, on propose à l'animal de se stimuler en reliant une pédale à une électrode qui va stimuler une zone du cerveau

c) Utilisation de produits radioactifs

Dans certaines méthodes d'imagerie, on utilise de l'oxygène 15. Chez l'animal, on utilise des produits radioactifs qui permettent des marquages beaucoup plus précis et qui durent dans le temps. Ca permet de mettre en évidence des phénomènes qui sont longs. Exemple pour la compréhension du système visuel : Injection de Proline (AA qui entre dans la composition des protéines) qui contient un Hydrogène 3 (radioactif) dans l’œil d'un rat. Les neurones de l’œil (rétine) vont utiliser cette proline pour créer leur neurotransmetteur. Il va y avoir un marquage radioactif des zones où sont projetés les neurones auxquels on a donné de la proline radioactive. On a pu ainsi déduire le fonctionnement du système visuel. La radioactivité après l'expérience, se trouve de façon alternée en colonne.

d) Lésions

Chez l'homme on étudie des lésions accidentelles. Chez les animaux, on étudie des lésions provoquée. On peut ainsi choisir un système précis. On peut par exemple désactiver tout le système visuel. On peut désactiver de façon définitive (ablation) ou de façon temporaire (refroidissement de la zone = inactivation temporaire). On étudie ensuite les conséquences.

Exemple :

- la lésion d'une partie de l'hypothalamus entraîne une hyperphagie chez l'animal. La lésion d'une autre partie va entraîner une aphasie : mise en évidence des zones qui contrôlent la faim. Les problèmes hypothalamiques créé des troubles dans la perception de la faim.

- Le chat en détruisant une partie du locus cœruleus (entre le cerveau et la moelle épinière), ne va plus avoir une inhibition des commandes motrices du rêve (le chat va mimer les mouvement qu'i effectue dans son rêve). Cela met en évidence trois choses :

  • Zone d'inhibition des rêves
  • Le chat rêve
  • A quoi il rêve

Ces rêves sont des mouvements d'attaques, de chasse ou de défense.

e) Imunohistochimie

C'est une technique d'imagerie cérébrale qui est particulièrement invasives car elle va se terminer par un découpage du cerveau en tranches pour le cartographier. Le but de cette méthode est de mettre en évidence la présence d'un composé chimique dans le cerveau d'où le nom d'histochimie. Le principe, c'est de marquer ce composé avec la reconnaissance antigène-anticorps La méthode de l'imunohistochimie est d'extraire et de purifier le composé chimique que l'on veut étudier. Ensuite, il faut faire fabriquer des anticorps qui vont reconnaître spécifiquement ce composé chimique. Il suffit d'injecter ce composé à un lapin et si ce produit n'est pas présent dans son corps, il la considère comme étrangère et va produire des anticorps. On récupère les anticorps et les purifier et les coupler avec un marqueur (coloré, fluorescent...). On injecte ensuite dans le cerveau le couple (anticorps-marqueur). L'anticorps va venir se fixer à la molécule étudiée et va être repéré par le marqueur qui va se trouver au même endroit. Il faut ensuite faire des coupe du cerveau et rechercher au microscope les zones où se trouvent le marqueur. On peut ensuite faire une cartographie 3D de la présence du composé chimique dans le cerveau.

Cette technique est particulièrement intéressante pour marquer les neurotransmetteurs. Cette méthode permet donc une cartographie des neurotransmetteurs dans le cerveau. Exemple : Enképhaline qui se trouve surtout dans le système limbique, siège des émotions, contrôle du comportement affectif et se retrouve aussi dans le thalamus qui a un rôle dans la perception de la douleur. Les récepteurs qui reçoivent l'enképhaline peuvent aussi lier des opiacé. On va donc perturber la perception du cerveau avec les opiacés. Ils ont donc été utilisés comme antalgiques (en jouant sur la douleur) et ils interviennent dans la toxicomanie (en jouant sur les émotions) : Opium (extrait du pavot). La molécule active présente dans l'opium à 10% est la morphine. L'avantage de la morphine est qu'elle peut être injectée et arrive plus facilement au cerveau. C'est un antalgique très fort. Une morphine modifiée est l'héroïne, l'héroïne est un morphine + 2 acétyle qui vont rendre la molécule liposoluble et va donc pénétrer beaucoup plus rapidement dans le cerveau. Elle a été mise au point pour un but thérapeutique On met donc en évidence grâce à l'imunohistochimie des substances intrinsèques du cerveau et les substances externes qui ont le même rôle.

4) Modélisation du cerveau

Les méthodes présentées jusqu'à présent montrent la corrélation entre l'activité d'un neurone, d'une population, d'une zone du cortex et d'un comportement ou d'une capacité cérébrale. Comment l'activité mesurée peut être responsable du comportement observé ou de la capacité cognitive observée ? Ce qui est clair est qu'il y a un traitement parallèle massif de l'information par le SNC. Ce traitement parallèle veut dire qu'un problème est fragmenté en sous problèmes qui vont être traités et résolus en même temps.

Exemple : le traitement d'une scène visuelle complexe prend 100 ms (voir et comprendre) or chaque neurone a besoin de 1 ms minimum pour effectuer une opération élémentaire. Si les opérations étaient faites en série, on ne pourrait faire que 100 opérations, ce qui est insuffisant donc il y a absolument un parallélisme. En effet pour la vision, il y a différente modalités visuelles. On ne sait pas comment l'activité des neurones va provoquée l'activité cérébrale concernée mais la résolution est faite en parallèle. Un neurone intègre et seuille.

Un ensemble de neurones a des capacités supérieurs. Il émerge une capacité nouvelle : émergence de capacité. Les unités simples communiquent entre elles. Exemple : si on observe le comportement d'une fourmis, elle est capable de comportements simples mais une fourmilière peut faire des tâches complexes : trier des objets, trouver un chemin... C'est la même idée pour les neurones. De ces deux observation de base (parallélisme, émergence de capacité) est venu une idée de modélisation dont le principe est de faire interagir des unités très simples donc très simples à modéliser et qui ressembleraient à des neurones. Unités capables de sommer et de seuiller les informations. On ferait interagir ces unités entre elles pour provoquer l'émergence de capacités nouvelles.

Ce type de modélisation a deux buts :

  • Etudier le fonctionnement de notre système nerveux
  • Mettre au point des nouveaux moyens informatiques pour résoudre les problèmes, un nouveau type de programmation (neurochimie)

Il y a trois grandes façons de modéliser l'activité cérébrale : - modéliser l'activité électrique d'un seul neurone en modélisant tous ses flux ioniques de manière à modéliser son activité électrique : permet de modéliser un neurone : modélisation pour comprendre la neurochimie et l'activité électrique - modéliser le neurone, on ne s'intéresse plus aux flux, on modélise l'activité globale (PA ou pas). Dans ce cas, on peut en mettre plusieurs en réseaux et les faire communiquer entre eux.

Unité : le neurone.

- modéliser d'assemblées de neurones qui agissent entre eux.

Unité : une population.

L'information qui va sortir de cette assemblée est une information continue sous forme de signaux oscillants. Caractérisé par deux paramètres : intensité et fréquence. Modélisation du neurone : réseaux de neurones, approche connexionniste

a) Fonctionnement d'un réseau de neurones

Le principe : modéliser plusieurs neurones qui interagissent entre eux. Choix à faire :

  • - choisir une architecture au réseau :
    • - combien de neurones dans le réseau
    • - décider si les neurones sont organisés en plusieurs couches successives ou si ils ont tous la même fonction et s'ils ne vont pas être organisés
      • - s'ils sont organisés en couches : combien de couches et décider si le nombre de neurones par couche va augmenter (divergence) ou va se réduire (convergence) ou ni l'un ni l'autre
  • - Choisir l'organisation des connections entre les neurones

Si tous les neurones ont la même valeur, tous les neurones sont interconnectées entre eux. Par contre s'ils sont organisés en couches, il n'ont pas tous la même valeur et il faut choisir les connections ( au minimum, chaque neurone d'une couche sont connectés avec tous les neurones de la couche suivante). Faut il connectés les neurones d'une même couche entre eux (connections latérales qui existent biologie), est ce qu'on permet les connections qui d'une couche vont retourner à la couche précédente (feedback) ?

- Quel type d'informations va transmettre un neurone : deux grandes possibilités

- Soit le neurone transmet une information binaire pour se rapprocher des potentiels d'action qu'émet le neurone biologique.

- Soit le neurone a une sortie continue imité entre deux bornes : [-1,1] soit l'équivalent de la différence de potentiel transmembranaire.

- La fonction d'intégration du neurone : la fonction qui à partir de toutes les sorties de neurones précédent, on va obtenir la sortie du neurone considéré. En général, l'entrée du neurone est la somme des sorties des neurones connecté pondérés par la force de la connection en le neurone i et j entrée de i = somme (des sorties de j) * (force de la connection entre i et j) sortie de i = F ( entrée de i )

Les réseaux divergents sur la sortie de i. Exemple : Si le neurone est a sortie binaire, F ne peut avoir pour valeur de 0 ou 1. A partir d'un seuil, F prend la valeur 1 et y reste. Le réseau est entièrement défini, on peut faire tourner le réseaux de neurones. Pour le faire tourner, à chaque unité de temps, on va calculer la sortie de chaque neurone en fonction des sorties de tous les neurones au temps t-1. La sortie à t est égale à F(somme des (sorties de j)(t-1) * (Cji)). Par exemple : Fonction (ET) avec un neurone [0,1] Entrée 1 \(1) O-> sorite [0,1] [0,1] Entrée 2 /(1) S = F2( entrée 1 + entrée 2) seuil compris entre 1 et 2 Fonction OU exclusif impossible avec un seul neurone, il faut utiliser un réseaux de neurones

Exemples plus complexes : le perceptron Ce réseau est un exemple de réseau sensoriel Les neurones ont tous la même sensibilité Ce réseau peut par exemple détecter les contrastes, si toutes les informations sont lumineuses, le résultat est nul, par contre si une image contient différentes informations, on obtient un résultat mettant en évidence les formes. Pour repérer des mouvements, il faut utiliser des feedback qui vont permettre de comparer l'image précédente avec l'image courante. On peut ainsi créer des rétines artificielles qui fonctionnent très bien. Réseau de Hopfield C'est un réseau ou tous les neurones ont le même valeur et ils sont tous connectés entre eux.

Le modèle de Hopfield est un modèle de mémoire naturelle. En entrée, on donne une forme en activant certains des neurones. A chaque pas de temps, chaque neurone va avoir pour sortie une fonction de la somme pondérées. La forme de départ va se transformer à chaque pas de temps selon les règles qui sont contenus. La forme de départ va converger vers la forme apprise la plus proche, c'est à dire la forme que le réseau a en mémoire la plus proche. On va apprendre les formes au réseau en modifiant la force des connexions. On code un ensemble d'objets en fixant toutes les valeurs des connections. En général, pour un réseau à n neurones, il y a (n-1) connections.

b) Apprentissage par un réseau

Pour le perceptron : Pour faire apprendre à un réseau il faut connaître pour une entrée la sortie correspondante. On donne en entrée les informations et on récupère la sortie. On change ensuite les poids connections de façon à obtenir en sortie la sortie que l'on veut avoir pour chaque neurone. Il faut ensuite répéter l'opération avec plusieurs entrées pour vérifier que la sortie soit bonne pour chaque entrée. Si le réseau est assez grand, il peut apprendre plusieurs forme, car s'il n'y a pas assez de neurones, il est possible qu'il ne donne pas la bonne sortie. Si on lui donne une entrée qu'il ne connaît pas, si cette entrée ressemble à quelque chose qu'il connaît il y a des chances pour qu'il donne la bonne sortie. Hopfield Pour les réseaux de Hopfield il faut aussi modifier le poids des connections

Pour les réseaux de Hopfield, pour lui faire apprendre, il faut augmenter les un tout petit peu les connections entre les neurones qui sont actifs ensemble et les connections entre les neurones qui sont inactifs ensemble. Il faut diminuer un tout petit peu les connections entre les neurones qui sont opposés On refait passer toutes les formes plusieurs fois et si le nombre de formes à apprendre et trop grande, ça va coincer, mais si le nombre de neurones et suffisant, s'il retrouve toute les forme, il a appris et si on lui donne une forme avoisinante, il va retrouver la bonne forme. C'est le même fonctionnement pour notre mémoire Les règles sont très simple quand on a une seule couche de neurones mais quand on a plusieurs couches de neurones.

c) Conséquences de cette modélisation : réductionnisme et dialisme

Avec les réseaux de neurones on arrive à résoudre pas mal de tâche que les intelligence naturelles sont capables de résoudre tant que le problème est très limité à une question précise. Par contre pour ce qui concerne toutes les capacités supérieurs de l'homme, les réseaux de neurones sont très loin d'y ressembler. Il y a deux grandes hypothèses pour expliquer cette incapacité à résoudre les tâches de haut niveaux - Soit les ordinateurs n'ont pas assez de neurones (10^5 pour un ordinateur, 10^11 pour l'homme) or les capacités augmentent de type factoriel donc la différence est énorme. C'est le réductionnisme : toutes les capacités du cerveau sont uniquement dues au fonctionnement des neurones telles qu'ont les connaît.

Donc il n'y a rien d'inconnu - Soit les neurones artificiels ne sont pas de la même nature. Dans un cas c'est substrat vivant et dans l'autre, un substrat mort. Seul le substrat vivant est capable de créer un monde mental. On parle de dualisme car pour les dualiste, il y deux mondes, un monde physique et un monde mental. Le monde mental ne peut être issu que du substrat vivant. Pour les réductionnistes, il y aura intelligence artificielles dès qu'il y aura assez de neurones : ce que pense Francis Crick Pour les dualiste, il n'y aura jamais d'intelligence artificielle : ce que pense Eccles et Poper Donc la question reste ouverte. Est ce que la conscience est le produit des 10^11 neurones tels qu'on les connaît ou est ce qu'elle est d'une nature différente qui nous échappe.


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