Joyeux anniversaire Cerveau!

Les cellules souches sont à l’origine

Nous sommes issu∙e∙s d’une seule cellule – l’ovule fécondé. C’est une cellule souche totipotente, car elle peut se diviser et produire tous les types de cellules de l’organisme adulte. Afin de construire le cerveau d’un nouveau-né, qui compte 100 milliards de neurones approximativement, les cellules souches doivent accomplir un énorme travail : pendant la grossesse, elles produisent en moyenne 250 000 neurones par minute ! À la suite de quelques divisions cellulaires et ladite gastrulation, qui produit trois couches cellulaires, le système nerveux se forme à partir de la troisième semaine de grossesse, et avec lui le cerveau. D’abord, les tissus nerveux forment un tuyau, le tuyau neuronal, qui mesure 3 millimètres. Ces tissus sont composés de cellules souches neuronales, qui se divisent continuellement et engendrent davantage de cellules souches. Dans les semaines qui suivent, des renflements se créent dans le tuyau neuronal, qui seront à l’origine des zones cérébrales. Dans les lignes qui suivent, les processus seront présentés de manière partiellement chronologique par souci de simplicité. En réalité, ils se chevauchent.

Neurogenèse et migration

Les cellules souches neuronales commencent, après un certain temps, à se diviser en cellules souches et une deuxième cellule, qui deviendra un neurone par le processus de différenciation – il s’agit de la neurogenèse. La plupart des neurones en cours de différenciation trouvent leur position finale en glissant le long de cellules auxiliaires allongées, les cellules gliales. Le cortex se développe grâce à une migration régulée très précise : les neurones les plus jeunes construisent les couches internes et les plus anciens migrent progressivement vers le haut, jusqu’à ce que six couches soient formées. Quelques neurones se déplacent de surcroît le long du bord extérieur du cerveau – parfois même d’un hémisphère à l’autre. Les cellules sont agiles : elle se meuvent à une vitesse de 0.1 mm par jour, certaines parcourant quelques millimètres au total !

La forte concurrence entre neurones

Une fois la migration effectuée, il s’agit de terminer la différenciation et d’établir des connexions (synapses) entre cellules. A cette fin, les neurones constituent différents prolongements qui envoient et reçoivent des signaux : les longs axones, enrobés de cellules gliales, et les dendrites ramifiées. Un réseau dense se constitue entre les axones et les dendrites et entre dendrites. Par ailleurs, dès l’apparition des premières synapses, il est possible d’observer les mouvements du fœtus par échographie ou IRM, même si la future mère ne les sent pas encore.

Le développement du cerveau est une période de surabondance. Trop est produit, donc des neurones, des dendrites et des synapses sont détruites. La quantité de cellules à éliminer dans le cerveau humain est remarquable : dépendant de la zone du cerveau, jusqu’à 85% des neurones meurent par mort cellulaire programmée (apoptose). Ce processus se déroule notamment via la mise en compétition : les neurones concourent pour établir des contacts synaptiques. Les cellules qui ne peuvent pas en créer suffisamment meurent.

Né∙e∙s avec un cerveau immature

A la naissance, un enfant a plus ou moins toutes ses neurones, toutefois bien de choses sont différentes par rapport à un cerveau adulte. Premièrement, la taille du cerveau : il double au cours de la première année de vie. A l’âge de 3 ans, son volumen atteint 80% de celui d’un adulte. Ceci s’explique notamment grâce à la myélinisation pas encore aboutie. La gaine isolante autour des axones, qui améliore considérablement leur conductivité, se construit à partir du deuxième tiers de la grossesse, mais son développement atteint l’apogée qu’après la naissance. 

La situation est plus marquée en ce qui concerne les synapses : à la naissance, chaque neurone compte 2 500 synapses en moyenne. Dans le cerveau des enfants en bas âge, des connexions supplémentaires se construisent à un rythme effréné. Le cerveau d’un enfant âgé de deux ans a autant de synapses que celui d’un adulte. Chez les enfants de trois ans, le nombre est doublé. Les synapses seront peu à peu éliminées les années suivantes. L’impressionnante quantité de connexions est le socle des fortes capacités d’ajustement et d’apprentissage de l’enfant. Ce qu’un enfant vit au cours de cette période a d’énormes répercussions sur le cerveau. Une grande partie du développement cérébral a lieu durant les premières années de vie – à 5 ans, beaucoup de choses se sont déjà passées.

Le cerveau ado

Une zone cérébrale importante continue toutefois à se développe de façon spectaculaire de l’adolescence jusqu’à la vingtaine : le lobe frontal. Celui-ci contrôle de nombreuses fonctions importantes, dont les extraordinaires capacités cognitives des êtres humains. Les hormones exercent des influences notoires. Des études IRM démontrent que les réseaux neuronaux se transforment durant l’adolescence et que la myélinisation progresse, ce qui améliore encore la capacité de conduction des cellules cérébrales. A titre d’exemple, le corps calleux (Corpus Callosum), c’est-à-dire le faisceau de fibres nerveuses qui forme la commissure des hémisphères cérébraux, est mieux myélinisé. Ceci augmente autant les capacités analytiques que la pensée créative. Ces deux peuvent aider à réagir en cas de situations compliquées, comme c’est le cas durant la puberté – ou à participer aux Olympiades de la science. Une deuxième vague de formation de synapses a lieu durant l’adolescence ; l’élimination qui s’ensuit dure longtemps. Pendant cette période de vie, la sécrétion de différents neurotransmetteurs dans le cerveau change, influençant la prise de risque par exemple. Les changements dans le système de dopamine peuvent provoquer des fluctuations de l’humeur et modifient des comportements à dépendance. Il n’est ainsi pas étonnant que les adolescent∙e∙s s’enthousiasment pour des activités pleines d’action et se comportent de manière imprudente sur la route. Malheureusement, les toxicomanies commencent également à cet âge, parce que les substances peuvent modifier défavorablement le système de dopamine, qui n’a pas encore atteint la maturité.

A 20 ans nous sommes relativement mûr∙e∙s, mais pas totalement développé∙e∙s

Il faut environ 25 ans pour que tous les changements dans le lobe préfrontal, la partie du cerveau située tout à l’avant, soient terminés. Cette partie du cerveau assume d’importantes fonctions : c’est là que les décisions sont prises, que la vie est planifiée et que les priorités sont établies. Des études IRM montrent que les adolescent∙e∙s font appel au système limbique (le centre des émotions) lors de la prise de décisions. Les adultes, en revanche, activent plutôt le cortex préfrontal, car celui-ci est pleinement mature.

Qu’en est-il maintenant des Olympiades suisses de la science ? La faîtière a 20 ans. Si elle était un cerveau, elle en serait aux derniers stades de la myélinisation et des changements auraient encore lieu dans les synapses. Et c’est le cas : les associations spécialisées ont trouvé leur sillon, des déferlantes d’émotion se produisent, surtout aux remises de prix et, hormis cela, les fonctions exécutives fonctionnent super bien ! N’ayez pas de crainte : le cerveau garde de sa plasticité même après les 25 ans. Certainement les Olympiades de la science continueront à se développer – avec de nouveaux membres, de nouveaux réseaux et de nouvelles idées. Qui sait, peut-être j’écrirai dans vingt ans une mise à jour sur le cerveau à 40 ans.

A propos de l’auteure : Dr Cora Olpe fait de la recherche postdoctorale à l’Université de Zurich, dans le laboratoire du Prof Sebastian Jessberger, où elle étudie les cellules souches du cerveau. Il y a un peu plus de 10 ans, elle a remporté les Olympiades suisses de biologie puis une médaille de bronze en Corée du Sud. Par la suite, elle a étudié et obtenu son doctorat à Cambridge (Royaume-Uni). Cora est très attachée à l’encouragement de la relève scientifique, par conséquent elle s’engage bénévolement dans l’équipe de rédaction des Olympiades de la science.

Articles similaires

• Comment connaître l'âge des roches?

• Potluck for your brain - l'histoire des Olympiades en bref