jeudi 7 avril 2016

Plasticité du cerveau humain

Les changements du cerveau humain tout au long de la vie en réponse à l'expérience - un processus appelé plasticité. Plusieurs techniques différentes peuvent être utilisées pour étudier la plasticité du cerveau, y compris la mesure des changements dans la structure du cerveau, la fonction et les événements moléculaires. L'amélioration de ces techniques vont nous aider à comprendre comment la plasticité du cerveau lié à l'apprentissage ou comment faciliter la récupération chez les patients cérébrolésés.
Le cerveau humain est en constante évolution. Que ce soit pour répondre à des expériences, des compétences d'apprentissage ou la récupération d'une blessure, la fonction et la structure du cerveau sont dans un état continuel de flux que les scientifiques appellent la plasticité, qui se poursuit tout au long de la vie.
La plupart de notre compréhension de la plasticité provient d'études sur le cerveau des animaux. Avec les progrès de l'imagerie cérébrale non invasive, cependant, le cerveau humain est devenu accessible pour les enquêtes sur la plasticité. Par exemple, nous avons vu que la région du cerveau impliquée dans la navigation est plus grande dans les chauffeurs de taxi londoniens que chez les sujets témoins et que l’apprentissage à jongler peut remodeler les zones du cerveau impliquées dans le mouvement. Il y a aussi des preuves indirectes que les neurones peuvent se régénérer, même dans les cerveaux humains adultes.
IMAGERIE PLASTICITÉ
Figue. 1  L’IRM cérébrale analyse
des changements structurels induits
par la formation observés en vue de
dessus  (à gauche)  et  vue  de  face
(à droite) du cerveau ...
Au cours des dernières décennies, diverses méthodes cerveau d'imagerie non invasives ont été utilisées dans les études sur la plasticité du cerveau.
Imagerie structurale. Certains types d'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut révéler la structure de la matière grise et la substance blanche. Ces techniques permettent aux scientifiques de sonder la densité neuronale dans diverses zones du cerveau, pour étudier la taille et la disposition des connexions reliant les régions, ou pour évaluer les changements structurels dus à l’apprentissage (Fig.1), d'une blessure ou d'une maladie.
L’IRM fonctionnelle (IRMf). Cette technique enregistre des changements dans le fonctionnement du cerveau en mesurant les changements dans la circulation sanguine locale ou de l’hémoglobine oxygénation (Fig.2). IRMf permet de mesurer les changements dans la configuration du cerveau de l’activité après une blessure ou d’apprentissage.
Figue. 2  Des exemples de IRMf scans 
exemples de (a) coronales, (b) les analyses
sagittal  et  (c)   transversale  IRMf  cerveau
obtenues à un ..
L’imagerie moléculaire. Trouver la base moléculaire de la plasticité du cerveau humain est une idée nouvelle. Il implique, par exemple, la recherche de changements au niveau des récepteurs chimiques ou transporteurs qui induisent ou empêchent la plasticité. Une approche, la tomographie par émission de positons (TEP), utilise des traceurs radioactifs qui se fixent à des produits chimiques pour suivre la façon dont ils sont fabriqués ou distribués dans le cerveau. Une autre approche, émergente est l’imagerie cérébrale non- invasive optique, qui utilise des traceurs fluorescents.
Ces techniques ont permis de révéler la nature plastique des structures dans le cerveau humain. Cependant, notre compréhension des processus sous-jacents est encore insuffisante, et plusieurs défis doivent être abordés avant que nous puissions comprendre comment le cerveau humain change avec l'expérience et le temps. Pour relever ces défis, de nouveaux développements méthodologiques seront nécessaires.
DÉFIS EN SUSPENS
Lier à la physiologie. Il est difficile de lier les études d'imagerie cérébrale à la neurophysiologie sous - jacent. Par exemple, il est le soi-disant problème inverse de l'IRMf. De signaux vasculaires »Cette technique mesure - des changements dans le flux sanguin et de l’hémoglobine oxygénation - qui sont supposés être étroitement liée à l’activité neuronale (par exemple, des potentiels d'action des neurones, et une activité inhibitrice ou excitateurs synaptique), mais on ne sait pas comment. Le problème est aggravé par le fait que l'IRMf a une résolution temporelle de l'ordre de secondes, ce qui n’est pas assez rapide pour refléter l'activité de la milliseconde des neurones individuels. Comment, alors, pour mesurer l'activité et être plus proche de processus neuronaux? Une façon est de combiner l'IRMf avec d'autres outils non invasifs avec une meilleure résolution temporelle, comme l'électroencéphalographie (EEG). Utilisation de l’IRMf et EEG ensemble, des études récentes ont été en mesure d'identifier feu de neurones chez les sujets humains et les potentiels des structures sous - jacentes du générateur.
Électroencéphalographie (EEG) peut être
utilisée en conjonction  avec l'IRMf  pour
améliorer la résolution  temporelle de  ce
dernier.
Des sites uniques aux réseaux. Aucune zone du cerveau ne fonctionne de manière isolée. Les fonctions cognitives sont gérées par des réseaux de zones cérébrales interconnectées, dont certains remplissent les sous-tâches spécialisées. Bien que la cartographie du cerveau - fonctions à des zones spécifiques du cerveau allocation - soit significative, elle doit prendre en compte le rôle de la zone au sein de l'ensemble du réseau ou «connectome» des zones du cerveau. Plusieurs nouvelles approches de neuroimagerie peuvent montrer le lien entre les zones du cerveau dans les réseaux; par exemple, du tenseur de diffusion d'imagerie (DTI), qui est une variante de l'IRM, l'imagerie permet la connectivité structurelle, tandis que la connectivité fonctionnelle peut être évaluée par l'état de repos IRMf.
Fondements moléculaires. Chez les animaux, les chercheurs peuvent examiner les processus moléculaires qui interviennent dans la plasticité en ouvrant le cerveau. Chez les humains, il existe un besoin de méthodes non invasives. PET, par exemple, est déjà utilisé avec succès chez l'homme - mais rarement pour des études sur la plasticité du cerveau. L’intégration de PET avec l’IRM est une voie prometteuse pour la recherche sur la plasticité, permettant l’enregistrement simultané de la dynamique du sang et des réponses moléculaires dans le cerveau.
Racines génétiques:Les généticiens sont intéressés à trouver des liens vers la plasticité dans le cerveau; en effet, de nombreuses études ont mis en évidence la machinerie moléculaire derrière la maladie d'Alzheimer ou la maladie de Parkinson. L’analyse du génome entier est maintenant techniquement possible et est en baisse dans le prix; combinant cette fois avec des tests de cognition ou de comportement et l'imagerie cérébrale pourrait donner des idées puissantes sur la façon dont les différences génétiques façonnent le cerveau, et dans quelle mesure la plasticité est programmée génétiquement.
Effets du vieillissement et de milieu social. Les effets sur la plasticité du cerveau des facteurs génétiques et moléculaires ne peuvent pas être différenciés des effets du vieillissement. Par exemple, certains gènes sont exprimés préférentiellement à certains âges. Les troubles qui sont plus fréquents chez les personnes âgées, comme la maladie d'Alzheimer et de Parkinson ou d'un AVC, peuvent également affecter la capacité plastique du cerveau. Le milieu social d'un individu est également pertinent pour la plasticité cérébrale. Les études sur le «cerveau social» sont de plus en plus répandues et nous aideront à comprendre comment notre monde social peut influencer notre biologie.
Avancées théoriques. Le domaine de la recherche de la plasticité est encore relativement nouveau, et consiste principalement à accumuler des données pour tester des hypothèses. Comme le champ arrive à maturité, il sera important de formuler des cadres conceptuels pour cimenter les résultats dans un plan plus vaste. Les modèles informatiques de l'activité du cerveau et de la plasticité sont une voie prometteuse, développé en collaboration avec la recherche empirique.
La recherche sur la plasticité pourrait se traduire par de nombreuses applications utiles. Tant l'apprentissage individuel et des cours de formation institutionnels plus importants pourraient bénéficier d'une meilleure compréhension des mécanismes neuronaux sous-jacents. En outre, il y a potentiellement des implications cliniques importantes: les nouveaux médicaments et les protocoles de traitement pourraient stimuler la plasticité du cerveau et, par conséquent, la récupération de la fonction cérébrale. Avec la connaissance de la génétique de la plasticité, nous pourrions organiser des patients ou d'étudier des sujets par des traitements de génotype et de test en conséquence. Une meilleure compréhension des rythmes électriques du cerveau pourrait nous permettre d'utiliser la stimulation électrique ou magnétique pour changer les modèles d'activité dans différents domaines, améliorant ainsi l'apprentissage ou aide au rétablissement d'une blessure. Les améliorations continues dans les techniques d'imagerie cérébrale permettront à ces ambitions à réaliser.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour l’homme Cognitive and Brain Sciences étudient l’apprentissage comment perceptuelle, ainsi que l'apprentissage de nouvelles habiletés motrices, est associée à la réorganisation du cerveau, qui peut être évalué de façon non invasive avec l’imagerie par résonance magnétique structurelle et fonctionnelle chez les sujets humains. Récemment, il a été démontré que les différentes zones du cerveau sont engagés séquentiellement, avec des zones préfrontales étant associées à l’apprentissage à long terme