Plasticité neuronale

En 1848, Phineas Gage fut victime d'un traumatisme crânien qui détruisit la majeure partie de son lobe frontal gauche et changea profondément sa personnalité. La description de ce cas d'école en neurologie amena la première évidence qu'une altération du cerveau pouvait modifier le comportement.

Durant le XX^e siècle, le consensus était que certaines zones du cerveau, comme le néocortex, étaient immuables après l'enfance et plus particulièrement après une période critique de maturation du réseau. Seules certaines zones, comme l'hippocampe, siège de la mémoire, étaient réputées susceptibles de plasticité.

C’est avec Santiago Ramón y Cajal, prix Nobel de physiologie/médecine en 1906, que cette idée de plasticité est théorisée et utilisée sommairement[2].

A travers son célèbre article de 1969, Geoffrey Raisman a été décisif dans le changement d'opinion parmi les neurobiologistes, passant de l'adhésion à la doctrine de la localisation proposée par Joseph Gall et Johann Spurzheim à la notion de plasticité cérébrale[6]^,[7]. En effet, il permet « d’établir pour la première fois et de manière définitive » la capacité qu’a le cerveau à constituer de nouvelles synapses à la suite d’une lésion chez l’adulte[2].

Le terme de plasticité est très largement utilisé en neurobiologie dès les années 1970 et reste depuis un terme très en vogue[8].

Ce concept fait référence à la plasticité d'un matériau qui est sa propriété à modifier sa forme sous l'effet d'une action et à la conserver à l'arrêt de cette action. À l'inverse, l'élasticité désigne la propriété d'un matériau qui se déforme puis reprend sa forme initiale lorsque l'action cesse. En neurobiologie, la plasticité désigne la modification d'une propriété, ou d'un état, face à une modification de l'environnement (stimulus externe). Le terme a cependant été utilisé de manière abusive sans réellement établir de correspondance avec la propriété de plasticité (telle qu'elle est définie en science de la matière) et son concept n'est pour l'instant pas clairement défini.

Le cerveau est constitué de neurones et de cellules gliales étroitement interconnectées. L'apprentissage modifie la force des connexions entre les neurones (voir plasticité synaptique) et modifie les réseaux neuronaux en favorisant l'apparition, la destruction ou la réorganisation non seulement des synapses mais également des neurones eux-mêmes. C'est l'ensemble de ces phénomènes qui peuvent être regroupés sous le terme de plasticité neuronale.

La plasticité est une propriété présente à tous les niveaux d'organisation du cerveau :

• Au niveau des molécules, les récepteurs possèdent plusieurs « états » ou configurations qui permettent de modifier la transmission de l'influx nerveux ;
• Au niveau de la synapse, l'ensemble des molécules est régi par l'activité, avec notamment le recrutement de nouveaux récepteurs vers la membrane (exocytose, traduction locale, etc.) (plasticité synaptique) ;
• Au niveau du corps cellulaire, l'expression génétique est également modulée par l'activité des différentes synapses ;
• Au niveau des axones et des dendrites, les prolongements se réorganisent en fonction de l'activité des synapses et des neurones en contact, ainsi que des interactions avec la glie environnante ;
• Le neurone est susceptible de se développer ou de régresser en fonction de son implication dans un réseau (plasticité neuronale) ;
• Le réseau lui-même change ses connexions internes et externes constamment au cours du temps (plasticité cérébrale) ;
• Le cerveau est enfin capable de produire de nouveaux neurones (voir neurogenèse) ;
• L'individu ne cesse de changer son comportement en fonction des situations rencontrées, par exemple dans l'approche d'un problème. Il est également susceptible de subir des lésions ou de modifier certaines de ses capacités par l'activité, la prise d'aliments, de médicaments, de drogues, etc.

L'ensemble de ces échelles interagissent entre elles et doivent être étudiées à la fois séparément et dans leur ensemble pour comprendre la propriété fondamentale qu'est la plasticité en neurosciences.

Une décennie de recherche a montré que des changements sont susceptibles de continuer après la période de l’enfance, et que ces changements des patrons d'activation neuronaux dépendent de l'expérience. Cette théorie de la neuroplasticité suggère donc que l'expérience peut changer à la fois la structure anatomique du cerveau mais aussi son organisation physiologique. Les chercheurs s'accordent, désormais, sur la présence tout d'abord d'une période critique ou d'une fenêtre de plasticité des différents réseaux neuronaux durant l'enfance (par exemple l'aire visuelle), durant laquelle les changements majeurs interviennent en fonction de l'expérience, mais également que cette fenêtre ne se refermerait pas complètement et que certains changements mineurs ou même majeurs peuvent encore avoir lieu tout au long de la vie.

Dans le cas d’une activité normale, sans lésions, la plasticité neuronale s’exprime surtout par le renforcement ou la dépression de la quantité de connexions entre les neurones ou dans un réseau neuronal. Par exemple, lors de l’apprentissage de la lecture, le début est laborieux et difficile, puis avec la pratique et l’expérience, cela devient de plus en plus facile et rapide. C’est l’expression de la croissance du nombre de connexions dans l’aire responsable de la lecture. À l’inverse, lorsque l’on utilise moins un réseau de neurones, ses connexions diminuent et cela s’extériorise par la difficulté de refaire l’action en rapport avec ce réseau. Par contre, comme le réseau est déjà en place, si on le réutilise, les connexions seront plus rapides à se remettre en action et tout l’apprentissage ne sera pas à refaire.

En effet, la mémoire fonctionnant sur une base de facilitation, elle est répartie dans tout le cerveau en se servant des différentes aires perceptives pour fixer le souvenir et les représentations qui s’y attachent[9]. Ainsi, l’activation d’un réseau neuronal permettrait de retrouver le vécu et les représentations spécifiques à cette expérience lors de la réactivation de ce réseau. On a donc une préservation du réseau à la suite de son utilisation, mais aussi un renforcement de ce réseau en fonction de sa fréquentation. C’est le phénomène même de la plasticité neuronale, qui serait donc à l’origine de ce mécanisme de facilitation de la mémoire par le développement de réseaux neuronaux, et la mise en lien de ces réseaux[10].

Dans le cas d’une activité anormale mais non lésée, comme chez des personnes aveugles de naissance, ceci implique que l’aire visuelle de ces personnes n’est pas stimulée ni développée puisqu’il n’y a pas eu d’apport visuel. Pourtant, des IRM ont permis de constater que l’aire visuelle était sollicitée dans l’apprentissage et l’utilisation du braille (langage écrit pour personnes aveugles). Ici, la plasticité agit en réorientant les neurones inactifs vers une fonction différente de leur fonction première[11].

L'utilisation la plus courante, car la plus ancienne, désigne la capacité du cerveau des enfants à se réorganiser après une lésion. De nombreuses études montrent en effet qu'une lésion cérébrale qui survient durant l'enfance provoque des défauts comportementaux et cognitifs bien moindres que ceux que l'on observe chez l'adulte, pour le même type de lésions. Ces observations mettent en évidence la capacité de réorganisation plastique du cerveau durant le développement, capacité de réorganisation qui diminue avec la maturation des réseaux neuronaux. Cette capacité viendrait du fait que le support neuronal disponible à la naissance est bien supérieur à celui nécessaire pour coder les fonctions cognitives. Si une blessure intervient au niveau d'une zone particulière, les neurones non utilisés des autres zones sont recrutés pour remplacer ce défaut. Néanmoins, la quantité de neurones non utilisés diminue avec la maturation du cerveau, diminuant par là même la plasticité avec laquelle le cerveau répond aux lésions[12].

Dans le cas d’une lésion, la plasticité neuronale agira différemment en fonction du type de lésion. Dans le cas d’une lésion cérébrale, la zone qui n’est plus innervée par perte des neurones entraîne des déficiences directes sur les fonctions qu’occupaient ces neurones. Pourtant, il arrive que des individus retrouvent partiellement ou complètement leurs capacités. Si la lésion survient chez un jeune individu, alors le sujet a plus de chances de recouvrer toutes ses capacités par l’utilisation de neurones encore non utilisés. Mais plus généralement, ce sont les aires neuronales voisines qui viennent prendre en partie le relais, ce qui permet de récupérer une partie des capacités correspondant à la zone lésée[13].

C'est aussi pourquoi et comment la plasticité neuronale réagit à une amputation. Tout d’abord, il faut parler de l’existence d’une carte représentant toute la surface de la peau (l’homonculus sensitif), située sur le gyrus postcentral et appelée « Carte de Penfield ». Cette carte expose en formes plus ou moins grosses les zones du corps, la taille variant en fonction du degré de sensibilité. De plus, les différentes zones du corps ne sont pas représentées dans l’ordre que l’on perçoit extérieurement, comme la zone de la main qui est à côté de celle du visage. C’est cet aspect qui va être important lors de la réponse à l’amputation[14]^,[11].

Ainsi, lors d’une amputation, la zone du membre amputé n’est plus stimulée mais il arrive pourtant que des sensations persistent, c’est le principe du membre fantôme. Cela s’explique par la persistance de la carte cérébrale du membre amputé, qui cherche à être stimulé. Par exemple, chez une personne amputée de l’avant-bras qui perçoit son membre fantôme, on observe une superposition de sensations sur le visage, lesquelles amènent les sensations du membre fantôme. En effet, sur la carte cérébrale, les zones de la main et celle du visage sont voisines ; une fois la zone de la main non stimulée, on constate une invasion de la zone vacante par la zone du visage qui vient remplacer les connexions nerveuses à l’abandon. Il est ainsi possible de dessiner sur le visage de la personne amputée une carte sensible et complète de la main[14]^,[11].

Diagramme illustrant la problématique d'une personne amputée d'un bras, qui est remplacé par une image en miroir: le cerveau reçoit une image artificielle du membre manquant.

À la suite de ce problème que pose le membre fantôme, qui peut causer de terribles souffrances à la personne, le neuroscientifique Vilayanur S. Ramachandran s’est posé la question du soin de ces douleurs et paralysies fantômes. Il parvint alors à mettre en place un protocole permettant de soigner ces patients en utilisant la plasticité neuronale[14].

Tout d’abord, il émet l’hypothèse que ces douleurs et paralysies seraient des phénomènes appris par le cerveau. En effet, lorsqu’il regarde l’histoire de ses patients amputés, il constate qu’ils ont souffert pendant une longue période d’une paralysie ou de douleurs chroniques les empêchant de mouvoir leur membre. Il explique cela par le fait que le cortex moteur envoie en continu des commandes de mouvement, qui sont mises en opposition avec les retours sensoriels qui montrent sʼil y a mouvement ou non. Avant l’amputation, il n’y a pas de réponses musculaires ou sensorielles sur une longue période, ce qui va donner une paralysie apprise à force. Après l’amputation, la sensation de paralysie et de douleur peut ainsi rester, puisqu'il n’y a pas de retour sensoriel pour contredire la commande motrice. D'où les sensations de membres fantômes bloqués dans une position douloureuse, sensible ou très inconfortable[14].

Le protocole de soin établi par Ramachandran en 1996 est une boite à miroirs qui vient utiliser le retour visuel pour corriger les sensations acquises par le cerveau du patient. Cette boite se compose d’un miroir vertical au centre d’un carton. Le patient (amputé de l’avant-bras) vient placer de part et d’autre du miroir son bras réel et son membre fantôme. En regardant le miroir sous un angle précis, la main réelle vient se superposer à la main ressentie, ce qui donne la sensation d’avoir deux mains même si cela est faux et que le patient en est parfaitement conscient[14].

Ramachandran fait une première expérience avec un de ses patients, Jimmie, qui a un avant-bras gauche fantôme et souffre de terribles crampes. Il utilise alors la boite à miroir et, lorsque ses mains se superposent, cela lui donne « l’impression visuelle que son fantôme avait été ressuscité ». En effectuant des mouvements symétriques des deux bras, il a non seulement « l’impression que le fantôme obéissait à ses ordres », mais sent aussi « ses douloureux spasmes fantômes s’estomper »[14].

Une autre expérience de Ramachandran avec la boite à miroir a permis d’arriver à un résultat encore plus important. Un autre patient amputé, Ron, utilise régulièrement la boite chez lui pendant trois semaines, et finit par constater la disparition de son membre fantôme[14].

Ainsi, les douleurs fantômes, qui sont entretenues par le manque de réponses aux commandes motrices, peuvent donc être démobilisées par le biais visuel. Ce protocole vient manipuler les perceptions du cerveau pour que celui-ci puisse adapter ses réponses, auparavant douloureuses, à la situation nouvelle de la personne : il n’y a plus lieu d’avoir de douleurs puisqu’il n’y a plus de membre réel[14].

D'autres utilisations thérapeutiques sont également mises en place par la neuroplasticité autodirigée. Le patient atteint de lésions cérébrales (stress post-traumatique, accident vasculaire cérébral, troubles obsessionnels compulsifs) est incité à réaliser des expériences dirigées qui augmentent l'activité neuronale, et façonnent certaines parties de son cerveau afin de réduire ces lésions[15].

Un des principes fondamentaux du fonctionnement de la neuroplasticité est lié au concept d'élagage synaptique, l'idée que les connexions entre les neurones sont constamment éliminées lorsqu'elles ne sont pas utilisées. À l'inverse, ce mécanisme renforce les connexions très utilisées. Cela a pour conséquence de renforcer les réseaux de neurones qui sont synchronisés et de les séparer des autres neurones qui appartiennent à d'autres cartes corticales.

D'un point de vue morphologique, il s'agit de l'apparition, de la disparition, ou de la réorientation de structures comme des dendrites, des épines dendritiques[16], voire d'axones. On observe cette plasticité par imagerie. On peut aussi mesurer les effets physiologiques de cette plasticité par l'utilisation de la technique de patch clamp en plusieurs endroits simultanément sur des neurones en contact.

Cette plasticité se définit par les modifications de l'excitabilité neuronale en fonction de l'« expérience » du neurone. Lorsque l'excitabilité est augmentée, le neurone répondra plus facilement à un potentiel d'action et à l'inverse, si l'excitabilité diminue, le neurone sera moins sensible aux potentiels d'action présynaptiques, ce qui se traduira dans les deux cas par un changement de la fréquence à laquelle le neurone déchargera en réponse à une stimulation[17]^,[18].

Que cela soit celle des potentiels d'action le long de l'axone, ou celle des potentiels postsynaptiques le long des dendrites, la propagation des signaux nerveux dépend de la composition de la membrane plasmique en canaux ioniques. Un changement de cette composition en canaux ioniques, qu'il soit qualitatif ou quantitatif, changera la manière avec laquelle le signal électrique se propage. Les changements des propriétés électrochimiques de membrane peuvent être à court terme, quand seul l'état des canaux ioniques est transitoirement modifié, ou à long terme, en général quand les canaux ioniques sont remplacés par d'autres. On mesure cette plasticité par des mesures électrophysiologiques. Deux principaux canaux sont généralement impliqués dans cette plasticité : les canaux potassiques (K⁺) et les canaux sodium (Na⁺). D'autres canaux peuvent éventuellement intervenir en fonction du type de neurone étudié. Ces modifications peuvent être décomposées en changements des propriétés passives de la membrane : résistance de la membrane, constante de temps, potentiel de repos, potentiel seuil d'émission d'un potentiel d'action ; et en changements des propriétés actives : fréquence d'émission de potentiels d'action, relation entre courants synaptiques entrants et fréquence de décharges, patron temporel de la décharge.

Cette plasticité a deux fonctions mises en évidence par les expériences en électrophysiologie :

• Elle assure l'homéostasie de l'excitabilité intrinsèque du neurone, ce qui veut dire que le neurone s'adapte aux moindres changements de l'excitation pour toujours produire la même réponse. Notamment lorsque la fréquence d'entrée augmente progressivement, l'excitabilité du neurone baisse de manière à garder la même fréquence de sortie.
• Elle permet sous certaines conditions de potentialiser l'excitabilité du neurone, par exemple après une série de potentiels d'actions à haute fréquence sur une faible durée, le neurone augmente sa fréquence de sortie en augmentant l'excitabilité.

D'un point de vue spéculatif sur les bases cellulaires de la mémoire et de l'apprentissage, la différence entre cette forme de plasticité et la plasticité synaptique est que si cette dernière permettrait théoriquement de retenir une grande quantité d'information (vu le nombre de synapses pouvant être potentiées ou déprimées), seule la modification des propriétés non synaptiques de la membrane permettrait de modifier le codage en fréquence et les caractéristiques temporelles de ce codage.