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Neuroscience

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Le recomptage de neurones renverse des idées de la neuroscience

Publié en Février 2012

LÉO RAMOS L’après-midi du 11 janvier 2012, les chercheurs Frederico Casarsa de Azevedo et Carlos Humberto Moraes ont effectué une activité peu ordinaire pour des neuroscientifiques. Ils ont recouvert une étagère en briques d’un carton blanc pour cacher la fenêtre du fond, nettoyé une table de granit et retiré les récipients en verre, pipettes et produits réactifs pour les mettre sur une paillasse déjà occupée par d’autres verres, pipettes et réactifs. En fait, ils préparaient le laboratoire dirigé par le médecin Roberto Lent de l’Université Fédérale de l’état de Rio de Janeiro (UFRJ) pour une séance de photos et filmages. L’objectif était d’enregistrer dans le détail le fonctionnement d’une nouvelle machine achevée après sept années de travail : le fractionneur cellulaire automatique, qu’ils ont en outre l’intention de breveter. D’où la nécessité d’un décor irréprochable.

L’équipement au nom compliqué et de près d’un mètre de hauteur est une sorte de broyeur de taille familiale. Des moteurs électriques font tourner à 400 tours/min six pistons en plastique fixés à une base mobile. Chaque piston est plongé dans un récipient en verre qui contient des échantillons de tissu cérébral trempés dans une solution avec détergent. Une fois le fractionneur actionné, ses pistons agitent le liquide incolore en créant des tourbillonnements qui défont les échantillons. Deux heures plus tard, les morceaux de tissu cérébral sont dissous dans un mélange laiteux – surnommé par les chercheurs de ‘jus de cerveau’.

En phase de test au Laboratoire de Neuroplasticité de l’Institut des Sciences Biomédicales (ICB) de l’UFRJ, la machine est une version « boostée » du fractionneur beaucoup plus simple (un tube et un piston en verre, actionnés manuellement) que Roberto Lent et la neuroscientifique Suzana Herculano Houzel utilisent depuis 2004 pour défaire des morceaux de cerveau et compter leurs cellules. Inventée par eux-mêmes, cette technique permet de connaître plus précisément quelque chose que l’on croyait déjà savoir : combien il y a de neurones dans le cerveau et dans d’autres organes de l’encéphale, situés dans le crâne.

C’est en partie grâce au travail de ce groupe de Rio de Janeiro que l’on sait aujourd’hui qu’il y a 86 milliards de neurones dans le cerveau humain, et non pas 100 milliards comme on l’affirmait jusqu’alors. Il est également possible de dire en toute sécurité que ces neurones sont accompagnés de 85 milliards de cellules névrogliques, l’autre type de cellule qui compose le cerveau. Un nombre très inférieur aux 1000 milliards annoncés auparavant.

Il ne s’agit pas simplement de détails. Vérifier combien et où se trouvent précisément les cellules cérébrales est important pour comprendre le fonctionnement du cerveau et tenter de connaître les stratégies adoptées par la nature pour construire un organe si complexe que, dans le cas de l’homme, il a ouvert la voie à l’esprit autoconscient. D’autre part, l’étude peut aussi aider à identifier des caractéristiques qui distinguent un cerveau sain d’un cerveau malade.

Mais ne considérer que le nombre de cellules n’est pas suffisant pour percer à jour un des organes du corps les plus intrigants et fascinants. À l’heure actuelle, la neuroscience ne voit plus le cerveau comme une simple collection de neurones, des cellules qui communiquent au moyen de l’électricité. Pour le neuroanatomiste italien Alessandro Vercelli de l’Université de Turin, les connexions s’établissant entre ces cellules et créant des réseaux qui se partagent le traitement de l’information sont aussi importantes, voire plus, que le nombre total de neurones. « Le nombre, le type et la qualité de ces connexions varient dans l’espace et dans le temps », observe Martín Cammarota, neuroscientifique de l’Université Catholique Pontificale du Rio Grande do Sul (PUCRS). « Posséder plus de neurones ou moins de neurones ne rend pas nécessairement un individu plus intelligent qu’un autre, ou une espèce plus intelligente qu’une autre ».

En dépit de ces observations, les résultats obtenus par Lent et Herculano-Houzel depuis 2005 les ont amenés à questionner certaines idées considérées comme des vérités absolues sur la composition et la structure du cerveau. L’an dernier, Lent a estimé que les données recueillies par son groupe et celui de Suzana Herculano-Houzel étaient déjà suffisamment consistantes pour élaborer une critique plus directe. Avec trois chercheurs de son laboratoire, il a écrit un article publié en janvier dans l’European Journal of Neuroscience, où il affirme qu’au moins quatre concepts de base de la neuroscience se doivent d’être repensés.

Le premier dogme discuté dans l’article est celui selon lequel le cerveau humain et le reste de l’encéphale possèdent ensemble 100 milliards de neurones. Connu y compris par ceux qui ne sont pas spécialistes, ce nombre circule dans les articles scientifiques et les livres didactiques depuis près de 30 ans. Roberto Lent est lui-même l’auteur de l’ouvrage Cem bilhões de neurônios [Cent milliards de neurones], publié en 2001 et pris comme référence par les cursus de 2e cycle universitaire.

L´origine
Ce livre est en quelque sorte à l’origine des doutes qui ont incité les chercheurs de l’UFRJ à analyser le nombre de cellules présentes dans le cerveau. Peu de temps avant son lancement, Suzana Herculano-Houzel avait débuté une étude pour évaluer la connaissance des lycéens et des étudiants en matière de neuroscience. L’une des 95 affirmations à laquelle ils devaient répondre par ‘vrai’ ou ‘faux’ était : « Nous n’utilisons que 10 % de notre cerveau ».

Fractionneur « boosté » :il transforme des morceaux de cerveau en une soupe de noyaux de neurones

LÉO RAMOSFractionneur « boosté » :il transforme des
morceaux de cerveau en une soupe de noyaux de neuronesLÉO RAMOS

Près de 60 % des 2 200 jeunes interrogés ont répondu que c’était ‘vrai’. Or, cette affirmation est fausse car nous utilisons l’ensemble de notre cerveau tout le temps. Elle découle d’une autre affirmation faite en 1979 par le neurobiologiste David Hubel, prix Nobel de physiologie ou médecine en 1981 : Hubel assurait qu’il y avait 100 milliards de neurones et mille milliards de cellules névrogliques. Répétée dans d’autres publications, l’information s’est propagée. Puisque les neurones sont les unités qui traitent l’information et ne représenteraient qu’1/10e des cellules cérébrales, on en a conclu que les autres 90 % du cerveau ne seraient pas utilisés quand on marche, qu’on planifie un voyage ou qu’on dort.

Insatisfaite du résultat, S. Herculano-Houzel a recherché dans la littérature scientifique l’origine de ces nombres, mais en vain. Bien qu’elle ait collaboré à l’écriture du livre de Lent, elle lui a fait part de son doute : « Comment sais-tu que ce sont 100 milliards de neurones ? ». Lequel lui a répondu : « Et bien, tout le monde le sait, c’est écrit dans tous les livres ». Beaucoup d’articles et de livres contenaient l’information, mais aucun ne disait d’où venait l’information. « C’était des données apparemment intuitives qui se sont consolidées et les gens les citaient sans réfléchir », commente Lent.

L’une des raisons de la difficulté à trouver ces nombres est que compter des cellules cérébrales n’est pas simple. En plus d’être un grand organe – le cerveau humain pèse environ 1200 grammes et l’encéphale 1500 grammes –, il possède une architecture complexe. Des zones distinctes contiennent des concentrations variées de cellules et la technique alors disponible pour les compter, la stéréologie, ne fonctionne bien que pour des petites régions où la distribution cellulaire est homogène. Son utilisation pour compter les cellules cérébrales générait des estimations peu fiables, avec des chiffres jusqu’à dix fois différents pour certaines régions. Finalement, le nombre de neurones dans le cerveau humain variait entre 75 et 125 milliards.

À l’époque récemment embauchée par l’UFRJ, Suzana Herculano-Houzel dit à Lent qu’elle avait une idée « osée et un peu folle » pour compter les neurones, mais qu’elle ne disposait pas de laboratoire. C’est ainsi qu’il l’a invitée à travailler aveclui. La proposition de la chercheuse était simple : rendre homogènes les régions cérébrales avant de compter ses cellules. Comment ? En démontant les cellules.

La raison principale de l’hétérogénéité de l’encéphale est que les cellules et l’espace qui les sépare varient en taille. La question serait résolue en dissolvant les cellules à condition que soient préservés leur noyau – la partie la plus centrale, qui abrite l’ADN. Comme chaque cellule cérébrale possède un seul noyau, le comptage devenait simple : la somme des noyaux donnerait le nombre total de cellules. Des colorants qui marquent seulement les neurones ont permis ensuite de les distinguer des autres cellules cérébrales.

En utilisant des composants chimiques qui préservent les structures des cellules, Herculano- Houzel a réussi à ne détruire que la membrane extérieure sans abîmer le noyau ; avec Lent, elle a décrit la technique en 2005 dans Journal of Neuroscience. Selon Vercelli, « c’est une méthode intelligente, simple et facile à utiliser et à reproduire. […] Je me demande pourquoi je n’y ai pas pensé avant ». Pour Zoltan Molnar, neuroscientifique de l’Université anglaise d’Oxford, ce fut une avancée importante : « La génomique, la transcriptomique et la protéomique sont des domaines quantitatifs et perfectionnés qui ont beaucoup progressé, alors que nous, les anatomistes, nous en sommes restés à l’âge des ténèbres. Nous n’avons pas développé de méthodes permettant de mesurer le nombre, la densité et les variations au niveau de l’architecture des cellules ».

Le premier test a été fait sur des cerveaux de rats. Le nombre total de cellules de l’encéphale a été de 300 millions, dont 200 millions de neurones. Contrairement à ce qui était attendu, seulement 15 % des neurones étaient situés dans le cerveau, la partie la plus volumineuse. La plus grosse partie (70 %) se trouvait dans un organe plus petit, dans la région postérieure du crane : le cervelet.

Ces résultats étaient valables pour les rats. Et quant aux autres espèces ? Suzana Herculano- Houzel a ensuite analysé le cerveau de cinq autres rongeurs (souris, hamster, cobaye, paca et capybara [appelé aussi capivara au Brésil]). Comme on le savait déjà, plus l’animal est grand et plus le cerveau est grand et le nombre de neurones élevé. D’à peine 40 grammes, la souris est le plus petit d’entre eux et possède 71 millions de neurones emmagasinés dans un cerveau de 0,4 grammes. Près de 1200 fois plus lourde, le capybara a un encéphale 183 fois plus grand (76 grammes) mais seulement 22 fois plus de neurones (1600 millions).

Le cerveau humain
Sous l’orientation de Lent et Herculano-Houzel, le biologiste Frederico Azevedo a procédé au comptage des cellules dans des cerveaux humains. Non sans adapter au préalable la technique : « Ce qui fonctionnait pour les rongeurs ne marchait pas pour les humains ». Plusieurs mois ont été nécessaires pour découvrir que le problème venait du mode de fixation du tissu avant de le fractionner. Quand le cerveau restait trop longtemps plongé dans des composants qui évitent sa détérioration, le chercheur ne parvenait pas à colorer les neurones pour pouvoir les compter ensuite au microscope. Il a alors fractionné manuellement les échantillons de cerveau de quatre personnes (âgées entre 50 et 71 ans), cédés par la banque de cerveaux de l’Université de São Paulo (USP) : « C’est à cette époque que j’ai commencé à penser à une manière de rendre ce travail automatique ». Frederico Azevedo prépare actuellement un doctorat à l’Institut allemand Max Planck.

Le comptage des cellules a montré que le cerveau humain possède en moyenne 86 milliards de neurones. Ce nombre est 14 % inférieur à celui estimé auparavant et proche de celui proposé en 1988 par Karl Herrup, de l’Université Rutgers ». Chef du Laboratoire de Neuroanatomie Comparée de l’ICB-UFRJ, Suzana Herculano-Houzel ajoute : « Certains disent que la différence est moindre, mais je ne suis pas d’accord. […] Elle correspond au cerveau d’un babouin ou à un-demi cerveau d’un gorille, d’un point de vue évolutif un des primates les plus proches des êtres humains ». Roberto Lent reste prudent : « Nous ne pouvons pas affirmer que ces nombres sont représentatifs de l’espèce humaine. Il est probable qu’ils soient représentatifs de personnes d’âge mur ». Ou peut-être pas, vu que seuls quatre cerveaux ont été analysés. Chez les plus jeunes, cela peut aussi être différent : « Qui sait, les individus d’une vingtaine d’années ont peut-être 100 milliards de neurones, qu’ils perdent avec le temps ? ». Son groupe de recherche étudie à présent le cerveau de personnes plus jeunes et compare des cerveaux d’hommes et de femmes. En attendant de pouvoir répondre à cette question, Lent a modifié le titre de la 2e édition de son livre, publiée en 2010. Désormais, le titre comporte un point d’interrogation à la fin : Cent milliards de neurones ?

Le cervelet
De même que chez les rongeurs, la plupart de ces neurones ne se trouvent pas dans le cerveau mais dans le cervelet. Le cerveau – plus spécifiquement le cortex cérébral, encore considéré il y a peu comme le principal responsable de fonctions cognitives telles que l’attention, la mémoire et le langage – est la partie de l’encéphale qui a le plus grandi au cours de l’évolution. Dans le cas de l’homme, il pèse 1200 grammes et occupe plus de la moitié du crâne, cependant il n’abrite que 16 milliards de neurones. Le cervelet, par contre, ne pèse que 150 grammes mais possède 69 milliards de neurones.

Comment s’expliquent ces tailles si différentes entre les deux organes ? La réponse est multiple. Premièrement, le cerveau a moins de neurones que le cervelet mais près de quatre fois plus d’autres types cellulaires, comme les cellules névrogliques. Auparavant considérées comme un simple support physique des neurones, ces cellules remplissent en réalité d’autres fonctions essentielles : elles aident à la transmission des impulsions, nourrissent les neurones et défendent le système nerveux central de micro-organismes envahisseurs. Et, bien sûr, elles prennent de la place. Deuxièmement, le cerveau et le cervelet sont formés par des types différents de neurones, qui ne se connectent pas de la même manière.

Avec ce travail, le groupe de Rio de Janeiro a aussi constaté que l’évolution n’a pas seulement privilégié le développement du cerveau. Chez les mammifères, la classe d’animaux à laquelle appartiennent les êtres humains, le nombre de neurones a augmenté dans le cerveau et le cervelet au même rythme. Du point de vue de Vercelli, ce résultat corrobore celui de recherches indiquant que le rôle du cervelet ne se limite pas au contrôle des mouvements. Il est fondamental pour l’apprentissage, la mémoire, l’acquisition du langage et le contrôle du comportement et des émotions. Herrup signale que de plus en plus d’études montrent « que le cervelet participe de processus qui n’étaient auparavant associés qu’au cortex cérébral ».

Les stratégies
Depuis qu’elle a développé la technique, Suzana Herculano-Houzel l’a déjà appliquée pour étudier l’encéphale de 38 espèces de mammifères. Elle a notamment observé qu’au cours de 90 milliards d’années la nature a adopté au moins deux stratégies pour ‘construire’ des cerveaux : une pour les rongeurs, et une pour les primates.

Chez les rongeurs, l’augmentation du nombre de neurones dans l’encéphale se produit à une échelle logarithmique. Au fur et à mesure que la taille de l’espèce augmente, l’encéphale devient plus grand et le nombre absolu de neurones aussi. Mais plus le rongeur est grand, moins il gagne proportionnellement de neurones. Pour les primates, qui comprennent les singes et les êtres humains, l’augmentation est linéaire : le nombre de neurones croît proportionnellement au volume cérébral. D’après Vercelli, « il y a eu une transition soudaine entre les mammifères inférieurs, comme les rongeurs, et les supérieurs, comme les primates ». Roberto Lent pense que ce changement a permis au cerveau des primates de regrouper plus de neurones dans un espace plus petit et d’accumuler plus de cellules que les rongeurs.

Ce modèle de développement encéphalique des primates a conduit Lent et Herculano-Houzel à remettre en question un autre dogme en vigueur depuis près de 40 ans : celui selon lequel le cerveau humain serait exceptionnellement grand. En 1973, le paléoneurologue nord-américain Harry Jerison a affirmé que notre cerveau était d’une taille sept fois plus grande que celle espérée pour un mammifère de 70 kg. La neuroscientifique Lori Marino dira plus tard qu’il est grand même pour un primate. Pesant 1500 grammes, l’encéphale humain est le plus grand de tous les primates – le plus grand primate, le gorille, pèse 200 kg et a un encéphale de 500 grammes. Mais cette idée part du principe que la taille du corps serait un bon indicateur des dimensions du cerveau. Or, il semble que ce ne soit pas le cas.

Lorsqu’on laisse de côté la masse corporelle et que l’on analyse le nombre de cellules, on s’aperçoit que le cerveau humain n’échappe pas à la norme des primates. « Notre cerveau a la quantité de cellules attendue pour un primate de cette taille », confirme Suzana Herculano-Houzel.

Sur la base de cette règle et du volume du crâne, Suzana Herculano-Houzel et le neuroscientifique Jon Kaas de l’Université Vanderbilt (États-Unis) ont publié en 2011 une estimation du nombre de cellules cérébrales de neuf autres hominidés dans le journal Brain, Behavior and Evolution. Naturellement, l’espèce qui se rapproche le plus de l’humaine (Homo sapiens) en termes de neurones est celle des néandertaliens (Homo neanderthalensis), qui ont vécu entre 300 000 et 30 000 ans avant le temps présent dans la région aujourd’hui occupée par l’Europe. D’après les chercheurs, ils auraient environ 85 milliards de neurones. Avec l’aide du bioanthropologue Walter Neves de l’USP, Lent a amplifié la projection pour d’autres espèces de primates qui intègrent la grande famille des hominidés et calculé que les néandertaliens pouvaient avoir eu 100 milliards de neurones .

Un autre dogme est mis sur la sellette : que le total de cellules névrogliques serait dix fois supérieur à celui des neurones – affirmation à l’origine de l’idée  laquelle nous n’utilisons que 10 % de notre cerveau. Helen Barbas, de l’Université de Boston, écrit : « Ce taux élevé de cellules névrogliques était enseigné dans les livres didactiques, même si des expérimentations indiquaient déjà que la proportion était de 1 pour 1 ».

Ce qui a le plus surpris Suzana Herculano- Houzel, ce n’est pas tant le nombre de cellules névrogliques (à hauteur de 85 milliards chez les êtres humains, plus concentrées dans le cerveau que dans le cervelet) mais le fait qu’elles n’aient pratiquement subi aucune modification morphologique pendant l’évolution. Leur taille est quasi constante parmi les primates, alors que celle des neurones varie 250 fois. « Le fonctionnement des cellules névrogliques doit être si bien réglé que la nature a éliminé tout changement ayant pu apparaître », commente la chercheuse.

Pour l’heure, on espère que d’autres résultats intéressants surgiront au fur et à mesure que la technique brésilienne sera diffusée. « Si elle est utilisée plus largement », pense Herrup, « elle pourra simplifier le processus ennuyeux de comptage des cellules cérébrales ». Beaucoup d’heures seront peut-être épargnées si la version turbo du fractionneur tient ses promesses en matière d’efficacité.

Articles scientifiques
1. LENT, R. et al. How many neurons do you have? Some dogmas of quantitative neuroscience under revision. European Journal of Neuroscience. v 35 (1). janv. 2012.
2. HERCULANO-HOUZEL, S.; LENT, R. Isotropic fractionator: a simple, rapid method for the quantification of total cell and neurons in the brain. Jornal of Neuroscience. v. 25(10), p. 2.518-21. 9 mars 2005.

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