Dr Frédéric Sedel • Pr Olivier Lyon-Caen

Le Cerveau pour les Nuls Vite et bien

« Pour les Nuls » est une marque déposée de John Wiley & Sons, Inc.

« For Dummies » est une marque déposée de John Wiley & Sons, Inc.

© Éditions First, un département d’Édi8, 2020. Publié en accord avec John Wiley & Sons, Inc.

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ISBN : 9782412065112

Dépôt légal : septembre 2020

Rédaction et recherche iconographique : Stéphanie Bouvet

Correction : Marjorie Poitte

Maquette intérieure : Emilie Guillemin

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Ce livre numérique a été converti initialement au format EPUB par Isako www.isako.com à partir de l'édition papier du même ouvrage.

LES AUTEURS

Le Dr Frédéric Sedel a été neurologue à l’hôpital de la Pitié-Salpêtrière. Il a été membre du centre de référence « maladies lysosomales », de l’Unité Inserm UMR S975, et coordinateur de l’unité fonctionnelle neurométabolique « bio-clinique et génétique ». En 2013, il a fondé la société « medday pharmaceuticals » afin de développer de nouveaux traitements pour les maladies neurologiques.

Le Pr Olivier Lyon-Caen est Professeur de neurologie, ancien chef du Pôle des maladies du système nerveux de l’Hôpital de la Salpêtrière. Il est membre fondateur de l’Institut du Cerveau et de la Moelle Épinière (ICM).

Le cerveau, présentation

Le cerveau est le centre du système nerveux. Il est capable d’intégrer les informations provenant des cinq sens, de contrôler la motricité du corps et d’assurer les fonctions cognitives.

Le cerveau est contenu dans la boîte crânienne, où il est enveloppé par les méninges. Il est formé de deux hémisphères, un droit et un gauche, qui à vue d’œil sont identiques, mais qui ont des fonctions complémentaires : chez le sujet droitier, l’hémisphère gauche contrôle la partie droite du corps et est spécialisé dans le langage, l’hémisphère droit contrôle la partie gauche du corps et est spécialisé dans la représentation de l’espace. Les deux hémisphères sont reliés entre eux par des fibres d’association qui forment le corps calleux.

Le cerveau est si développé chez l’homme qu’il a dû se replier au cours de l’Évolution pour tenir dans la boîte crânienne (c’est aussi le cas chez certains animaux comme le chat, le singe ou encore le dauphin). Ces replis forment des circonvolutions séparées par des sillons ou des scissures.

Le cerveau en chiffres :

► Le cerveau adulte pèse environ 1,3 kg, et représente 2 % du poids total du corps.

► Il consomme 15 à 20 % de l’énergie produite par le corps humain, essentiellement sous forme de glucose.

► Il est constitué à 75 % d’eau.

► Son poids sec est constitué de 1/3 de graisse (lipides) alors que cette proportion ne dépasse pas les 1/5 pour l’organisme entier.

► On dénombre 100 milliards de neurones dans un cerveau humain.

► Chaque neurone possède en moyenne 7 000 dendrites et 10 000 synapses.

► Si on comptait 1 000 synapses par seconde, il faudrait entre 3 000 et 30 000 ans pour compter toutes les synapses du cerveau humain.

► Le cerveau possède 1 000 à 5 000 milliards de cellules gliales.

► Certains neurones peuvent mesurer plus d’un mètre.

► La vitesse de l’influx nerveux peut dépasser 400 km/h.

Le cerveau vu de l’extérieur. On distingue les lobes des différents hémisphères : 1. Lobe frontal ; 2. Lobe pariétal ; 3. Lobe occipital ; 4. Lobe temporal ; 5. Tronc cérébral ; 6. Cervelet

Les lobes du cerveau

Chaque hémisphère du cerveau est subdivisé en quatre parties, appelées lobes, qui ont des fonctions propres. De l’avant vers l’arrière, on distingue :

► le lobe frontal, qui intervient dans le raisonnement, les comportements sociaux, le langage, les fonctions motrices ;

► le lobe temporal, qui intervient dans l’audition, le langage, la mémoire, les émotions ;

► le lobe pariétal, qui intervient dans la sensibilité tactile, la programmation des mouvements, la représentation de l’espace ;

► le lobe occipital, qui intervient dans l’intégration des messages visuels.

Les quatre lobes sont séparés les uns des autres par trois scissures :

► la scissure de Rolando sépare le lobe frontal du lobe pariétal ;

► la scissure de Sylvius sépare les lobes frontal et pariétal du lobe temporal ;

► la scissure calcarine sépare les lobes pariétal et temporal du lobe occipital.

Vue en coupe de l’intérieur du cerveau.

L’intérieur du cerveau (1)

La partie la plus superficielle du cerveau est constituée par le cortex, également appelé substance grise, car à l’œil nu l’accumulation de cellules donne un aspect grisé. Les informations transmises par les cellules nerveuses (neurones) arrivent et partent au niveau du cortex, formé de six couches de neurones numérotées de I à VI.

Les parties profondes du cerveau sont constituées de la substance blanche cérébrale, des noyaux gris centraux et des ventricules. La substance blanche est formée par les prolongements (axones) des neurones, entourés d’une substance, la myéline, qui sert d’isolant. Ces axones sont organisés en faisceaux, voies de communication qui relient le cortex aux autres régions du système nerveux, ainsi que les différentes régions du cortex entre elles.

Les noyaux gris centraux (ou ganglions de la base), également constitués de substance grise, sont situés au centre du cerveau. Ils sont impliqués dans le contrôle du mouvement et des comportements, dans le filtrage des informations provenant au cerveau et dans les phénomènes d’apprentissage. Le thalamus sert de relais pour la plupart des informations sensorielles (vue, ouïe, sensibilité, goût) et motrices qui parviennent au cortex. Il joue un rôle de filtre qui trie, classe et coordonne ces informations.

Vue de l’intérieur d’une tête, avec les ventricules.

L’intérieur du cerveau (2)

Le noyau caudé, le putamen et le pallidum sont surtout impliqués dans la régulation des mouvements et l’acquisition des automatismes moteurs (comme apprendre à conduire). Ils reçoivent des informations du cortex et lui renvoient des signaux via le thalamus. Ils sont connectés à la substance noire du tronc cérébral qui leur délivre la dopamine, indispensable pour l’initiation des mouvements.

Les ventricules cérébraux sont des cavités où circule le liquide céphalo-rachidien. Il en existe quatre, qui communiquent entre eux. Ce sont, de haut en bas : les ventricules latéraux, le troisième ventricule et le quatrième ventricule (au niveau du tronc cérébral). Le liquide céphalo-rachidien apporte les nutriments aux cellules nerveuses et permet d’éliminer les déchets. Il est produit au niveau des plexus choroïdes, structures très vascularisées qui font saillie dans les ventricules cérébraux. Son volume chez l’adulte est d’environ 150 ml et sa production est de l’ordre de 500 ml par jour. La totalité du liquide céphalo-rachidien est donc renouvelée environ 4 fois par jour. Il s’évacue grâce à de petites porosités situées à l’intérieur du crâne (les granulations de Pacchioni), qui communiquent avec la circulation sanguine.

À la base du cerveau, le système carotidien et le système vertébro-basilaire se réunissent grâce aux artères communicantes postérieures pour former le polygone de Willis, d’où partent les artères cérébrales proprement dites : les artères cérébrales moyennes droite et gauche (appelées aussi artères sylviennes), les artères cérébrales antérieures droite et gauche et les artères cérébrales postérieures droite et gauche.

Les vaisseaux sanguins

Le sang apporte l’oxygène et les nutriments dont le cerveau a besoin, soit directement, soit via le liquide céphalo-rachidien. Dans les deux cas, ces nutriments sont filtrés par une barrière très sélective.

La vascularisation du cerveau est assurée par quatre artères qui naissent de l’aorte (gros vaisseau branché directement sur la partie gauche du cœur) : les deux artères carotides droite et gauche et les deux artères vertébrales droite et gauche. Ces deux dernières se réunissent ensuite pour former le tronc basilaire. Une fois dans la boîte crânienne, ces quatre artères vont communiquer via le polygone de Willis.

De ce polygone de Willis partiront les artères cérébrales proprement dites : artères cérébrales moyennes (pour la partie externe des lobes frontaux, pariétaux et temporaux, ainsi que pour une grande partie des ganglions de la base), artères cérébrales antérieures (pour la partie interne du lobe frontal) et artères cérébrales postérieures (pour les lobes occipitaux et les parties postérieures des lobes temporaux).

Enfin, le sang veineux pauvre en oxygène et chargé de gaz carbonique est évacué par des conduits creusés dans l’os (sinus). Ces sinus se jettent dans deux veines jugulaires, qui apportent le sang veineux dans la circulation générale via la veine cave supérieure.

La barrière hémato-encéphalique et le diencéphale

Le cerveau est séparé du reste de l’organisme par une barrière étanche que l’on appelle « barrière hémato-encéphalique ». Cette barrière est formée par la paroi des petits vaisseaux (capillaires) qui apportent le sang au cerveau. Cette paroi est tapissée de cellules (cellules endothéliales) qui sont reliées par des jonctions étanches (jonctions serrées). Seules les petites molécules comme l’eau et les ions peuvent traverser cette barrière de façon passive. Toutes les autres molécules (sucres, acides aminés, vitamines, etc.) utilisent des transporteurs spécifiques qui régulent le passage.

Cette barrière, si elle permet de protéger le cerveau, pose des problèmes pour les traitements des maladies neurologiques : il faut en effet mettre au point des molécules capables de traverser la barrière. Pour cela, il faut utiliser des molécules liposolubles, qui vont se mélanger aux lipides des membranes et ainsi passer sans difficulté.

Le cerveau se prolonge par le diencéphale, le tronc cérébral, puis par la moelle épinière située au centre de la colonne vertébrale et qui descend jusqu’en bas du dos. Ces structures sont indispensables à la survie. Le diencéphale contient l’hypothalamus, qui contrôle de nombreuses fonctions dites « végétatives » (appétit, sommeil, température corporelle, plaisir sexuel…) et intervient dans le contrôle des émotions. Beaucoup de responsabilités pour ce petit amas de substance grise qui a la taille de la dernière phalange du petit doigt, qui pèse quatre grammes et qui contient pas moins de douze noyaux ayant des fonctions distinctes ! Pour assurer ces tâches, l’hypothalamus communique avec les autres organes par des hormones (substances produites directement dans la circulation sanguine par des cellules dites sécrétrices) ou des neurohormones (hormones libérées par les terminaisons nerveuses des neurones). L’hypothalamus régule et coordonne, avec le tronc cérébral, le système nerveux végétatif (composé du système nerveux sympathique et du système nerveux parasympathique) qui innerve le cœur, les poumons, le tube digestif, les vaisseaux sanguins et les sphincters. L’hypothalamus communique aussi par des neurohormones avec l’hypophyse, qui produit de nombreuses hormones qui vont à leur tour influer sur de nombreuses glandes et de nombreux tissus (glande thyroïde, glandes surrénales, glandes sexuelles, peau, os, artères, reins, utérus et seins). Enfin, l’hypothalamus intervient dans les émotions via des connexions avec une petite structure du lobe temporal (l’amygdale), véritable tour de contrôle des émotions.

Les douze paires de nerfs crâniens et leur sortie le long du tronc cérébral.

Le tronc cérébral et le cervelet

Partie du système nerveux central intracrânien, le tronc cérébral, point de passage obligé entre les hémisphères et la moelle épinière (et donc les membres), contrôle aussi les fonctions vitales : déglutition, respiration, rythme cardiaque, éveil. Il contient les noyaux moteurs et sensoriels des nerfs de la tête et du cou.

Il est formé de trois parties :

► les pédoncules cérébraux (ou mésencéphale) en haut, qui contrôlent les mouvements des yeux ;

► la protubérance (ou pont) au milieu, qui contrôle la face ;

► le bulbe (ou « moelle allongée »), en bas, qui contrôle la langue, la déglutition, la voix, le cœur et la respiration.

À l’arrière du tronc cérébral, auquel il est uni par des pédoncules cérébelleux, se situe le cervelet, petit cerveau archaïque, impliqué dans le contrôle de l’équilibre et dans la coordination des mouvements. Le cortex du cervelet ne possède que trois couches, alors que le cortex cérébral en possède six. Le tronc cérébral délimite avec le cervelet le quatrième ventricule, cavité remplie de liquide céphalorachidien.

Les nerfs crâniens

Situés dans la boîte crânienne, les nerfs crâniens innervent la tête (face, cuir chevelu et cou). L’Homme possède 12 paires de nerfs crâniens. Les deux premiers sont des prolongements directs du cerveau, les autres naissent dans le tronc cérébral. Ces nerfs sont numérotés de I à XII. Certains nerfs sont sensoriels, d’autres sont moteurs et d’autres, dits mixtes, ont à la fois une fonction sensorielle (ou sensitive) et motrice.

► I (sensoriel) : nervus olfactorius, nerf olfactif (transmet les informations de l’odorat). Point de départ : glomérules olfactifs (impliqués dans l’odorat).

► II (sensoriel) : nervus opticus, nerf optique (transmet les informations de la vision). Point de départ : cellules ganglionnaires de la rétine.

► III (moteur) : nervus oculomotorius, nerf oculomoteur ou moteur oculaire commun (motricité oculaire). Point de départ : partie haute du tronc cérébral.

► IV (moteur) : nervus trochlearis, nerf trochléaire ou pathétique (innerve le muscle oblique supérieur au niveau oculaire). Point de départ : partie haute du tronc cérébral.

► V (mixte) : nervus trigeminus, nerf trijumeau (assure un rôle moteur pour les muscles de la mastication et un rôle sensitif pour la peau de la face et la bouche). Point de départ : son noyau est étendu entre la partie haute et la partie basse du tronc cérébral.

► VI (moteur) : nervus abducens, nerf abducens ou moteur oculaire externe (innerve le muscle droit externe au niveau oculaire). Point de départ : sillon bulbo-pontique.

► VII (mixte) : nervus facialis, nerf facial (innerve les muscles de la mimique). Point de départ : sillon bulbo-pontique.

► VIII (sensoriel) : nervus vestibulocochlearis, nerf vestibulocochléaire ou nerf auditif (transmet les informations auditives et vestibulaires, c’est-à-dire qui concerne l’équilibre). Point de départ : sillon bulbo-pontique.

► IX (mixte) : nervus glossopharyngeus, nerf glossopharyngien (langue et palais). Point de départ : bulbe.

► X (mixte) : nervus vagus, nerf vague ou nerf pneumogastrique (régulation végétative de la digestion, de la fréquence cardiaque et du rythme respiratoire, contrôle sensorimoteur du larynx et donc de la phonation). Point de départ : bulbe.

► XI (moteur) : nervus accessorius, nerf accessoire ou nerf spinal (innerve le muscle sterno-cléido-mastoïdien et le muscle trapèze, c’est-à-dire les muscles du cou). Point de départ : bulbe.

► XII (moteur) : nervus hypoglossus, nerf hypoglosse ou nerf grand hypoglosse (muscles de la langue). Point de départ : bulbe.

Le système nerveux cérébro-spinal.

La moelle épinière

La moelle épinière est directement connectée aux muscles par des racines nerveuses puis les nerfs. Elle permet de transmettre les informations provenant du cerveau vers les muscles et les viscères et fait passer en retour les informations sensorielles provenant des membres, du tronc et des viscères vers le cerveau.

À l’inverse du cerveau, la substance blanche de la moelle épinière se situe à la périphérie, et la substance grise au centre, où elle a une forme de H.

À intervalles réguliers (métamères), la moelle épinière envoie des prolongements appelés racines. De chaque côté de chaque métamère, deux racines (une sensitive, dorsale, et une motrice, ventrale) se réunissent pour former les nerfs périphériques, qui relient le système nerveux central aux organes périphériques (viscères, muscles, peau, tendons, organes des sens). On compte 30 racines : 8 racines cervicales, 12 racines thoraciques, 5 racines lombaires et 5 racines sacrées. À certains endroits, ces racines fusionnent entre elles pour former des plexus, avant de former les nerfs. En bas de la moelle épinière, les dernières racines, numérotées de L3 à S5, forment la « queue de cheval ».

Les neurones peuvent avoir des formes diverses. On estime à 10 000 le nombre de classes différentes de neurones dans le cerveau des vertébrés. Elles vont de la petite cellule bipolaire de la rétine, qui possède une seule dendrite simple, jusqu’à la grosse cellule de Purkinje du cervelet, qui a un arbre dendritique large.

Le neurone

Le neurone, c’est la cellule nerveuse proprement dite, sur laquelle reposent toutes les fonctions cérébrales, des plus primitives, comme la douleur ressentie, aux plus complexes, comme la capacité de penser. Cette cellule asymétrique peut mesurer de quelques centièmes de millimètres à plus d’un mètre.

On peut considérer les neurones comme de petites unités de communication avec une partie réceptrice (constituée des dendrites), un corps cellulaire ou soma (poste de contrôle qui intègre les informations en provenance des dendrites) et une partie émettrice unique constituée par l’axone. Le nombre de dendrites dépend du type de neurones : certains neurones peuvent avoir une seule dendrite, d’autres plusieurs milliers. C’est au niveau des dendrites que viennent se connecter les axones provenant des autres neurones.

L’axone peut mesurer plus d’un mètre. Certains axones sont entourés d’une gaine de myéline, qui comporte des interruptions à intervalles réguliers (nœuds de Ranvier). Cette gaine permet d’accélérer considérablement la propagation de l’influx nerveux. L’axone se sépare en général en plusieurs prolongements collatéraux, qui vont entrer en contact à leur tour avec les dendrites d’un ou plusieurs neurones au niveau des synapses.

L’énergie : sources et utilisation

Le glucose est la principale source d’énergie des neurones. Il provient de l’alimentation ou peut être fabriqué par le foie. Le cerveau peut stocker du glucose sous forme de glycogène, mais les neurones sont incapables d’utiliser directement les acides gras pour former de l’énergie. En cas de jeûne prolongé, ils peuvent utiliser les corps cétoniques (produits par le foie) comme carburant alternatif.

Le fonctionnement particulier des neurones, et notamment l’utilisation de signaux électriques, implique une demande d’énergie importante. Les neurones consomment beaucoup de glucose en le transformant en une molécule appelée ATP (adénosine triphosphate), qui libère de l’énergie lorsqu’elle est dégradée. Cette consommation importante d’ATP explique que les neurones doivent posséder de nombreuses mitochondries et consomment beaucoup de glucose.

La plupart des composés indispensables au fonctionnement des neurones sont produits directement par notre organisme. Notre cerveau n’est de toute façon pas très difficile : il a besoin de glucose, de quelques vitamines, d’acides gras polyinsaturés (oméga 3) et de certains métaux.

La longueur des prolongements neuronaux requiert un système de transport efficace pour les échanges au sein de la cellule. Ce système est composé de petites navettes (vésicules) qui voyagent sur des rails formés par les protéines du cytosquelette. Ces protéines s’agrègent pour former des microtubules et des filaments dits intermédiaires. Le transfert a lieu dans les deux sens : les protéines et autres macromolécules synthétisées dans le corps cellulaire sont transportées vers les axones et les dendrites, alors que celles captées à l’extrémité des prolongements sont transportées vers le corps cellulaire pour être dégradées. Cette opération a lieu dans de petits compartiments de la cellule (lysosomes) remplis d’enzymes permettant de couper les macromolécules en petits morceaux.

La synthèse des molécules du neurone a lieu majoritairement dans le corps cellulaire, où est contenu l’acide désoxyribonucléique (ADN) qui constitue le « plan » de la cellule. L’ADN est le support du code génétique de l’individu et est présent à l’identique dans toutes les cellules de l’organisme. Il est divisé en gènes (environ 30 000 chez l’homme), chacun codant pour une ou plusieurs protéines. Le neurone, à l’inverse des autres cellules, peut « délocaliser » sa production de protéines dans des compartiments très éloignés les uns des autres. Par ailleurs, de nombreux composants essentiels du neurone (neurotransmetteurs, membranes) sont synthétisés et recyclés sur place, sans repasser par le corps cellulaire.