Le cortex percé à jour

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art, neurosciences, sciences de la vie, visualisation
Cerebellar Lobe, Greg Dunn

« Si nos cerveaux étaient suffisamment simples pour être compréhensibles, nous ne serions pas suffisamment intelligents pour les comprendre », nous avoue le génial écrivain et neuroscientifique David Eagleman dans Incognito.
Malgré ce paradoxe, des chercheurs s’acharnent et tentent d’en savoir plus sur cet élément essentiel de notre corps. Pensez-vous ! C’est là-dedans que se créent nos pensées, nos décisions, nos souvenirs. Bref, notre identité. Alors, forcément, ce créateur de conscience en intéresse plus d’un, à commencer par les psychologues, les philosophes et chacun de nous.

Cependant explorer le cerveau n’est pas une mince affaire. Un tas de mystères demeure enfoui dans notre boîte crânienne et, pour les percer à jour, il faut pouvoir aller voir à l’intérieur. Mais comment peut-on bien se balader dans les méandres d’un encéphale ?

Depuis les années 90, les neurosciences ont explosé grâce à l’avènement de l’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle. Cette technique d’imagerie médicale non invasive permet de mesurer l’activité cérébrale de façon indirecte, en utilisant le lien entre flux sanguin et activité cérébrale. Ce qui est particulièrement apprécié par les sciences cognitives. Mais cette prouesse technologique n’a pas été la seule. Moins connue, la coloration de Golgi a pourtant révolutionné notre compréhension du fonctionnement du cerveau.

A la fin du 19ème siècle, Theodor Schwann, physiologiste allemand, affirme que tous les tissus de l’organisme sont composés de cellules. Cependant, à l’époque, les microscopes n’étaient pas assez puissants et les techniques d’échantillonnage et de coloration cellulaire marquaient indifféremment les cellules et les autres composants. De fait, les tissus nerveux formant le cerveau étaient particulièrement difficiles à observer et apparaissaient comme un maillage complexe sur lequel il était impossible de distinguer quoi que ce soit. On pensait donc que les tissus nerveux étaient une exception de la théorie cellulaire, qu’ils étaient les seuls éléments des organismes vivants à ne pas être composés de cellules. Le cerveau était un maillage diffus. 

En 1873, Camillo Golgi met au point une technique de coloration permettant de ne pigmenter qu’une cellule parmi une centaine, ceci après avoir plongé le tissu dans une solution d’argent. Santiago Ramón y Cajal, fasciné par cette technique, a l’idée géniale de l’adapter pour étudier l’organisation du système nerveux. Il a pu alors observer l’intégralité d’une cellule, de son corps cellulaire jusqu’à ses prolongements en dendrites ou axones. En ne mettant en valeur qu’une partie aléatoire du cerveau, on réussit enfin à en distinguer les détails. Magique et paradoxal !

 

C’est ainsi que, méticuleusement, Santiago Ramón y Cajal reproduit ces expérimentations sous forme de sublimes dessins de neurones du cerveau ou de rétines. 

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Dessin de Ramón y Cajal, extrait de %22Structure de la rétine des mammifères%22 Madrid, 1900.

Dessin de Ramón y Cajal, extrait de « Structure de la rétine des mammifères » Madrid, 1900

Ainsi, ces avancées extraordinaires ont permis de proposer une nouvelle théorie du fonctionnement cérébral : la théorie du neurone. En effet, grâce à la coloration de Golgi, chaque neurone apparaît alors comme une cellule complexe individuelle mais interconnectée grâce aux synapses afin de former un tissu. Exit la théorie du maillage réticulaire.

Pour ces découvertes, Golgi et Ramón y Cajal ont, tous deux, été récompensés par un prix Nobel de physiologie ou médecine en 1906. L’ironie de l’histoire est que, lors du discours de remise du prix, Golgi continue de soutenir une vision fusionnelle des neurones. Lorsque c’est à son tour de parler, Ramón y Cajal ne se gêne pas pour le contredire. En fait, Ramón y Cajal a dû faire face à une certaine lenteur de réaction face à ses travaux. Dans les Recuerdos de mi vida (les souvenirs de ma vie), il écrira :
« J’ai déjà exprimé plus haut la surprise que j’ai ressentie quand j’ai vu de mes propres yeux le merveilleux pouvoir révélateur de la réaction chrome- argent, et l’indifférence de la communauté scientifique à l’égard de cette découverte. Comment peut-on expliquer ce manque d’intérêt ?
Aujourd’hui que je comprends mieux la psychologie des scientifiques, je trouve cela très naturel. En France et Allemagne, et davantage dans ce pays que dans le précédent, règne une tradition sévère de discipline. Par respect pour leurs maîtres, il est habituel que les disciples n’utilisent pas des méthodes de recherche que leur maître ne leur a pas transmises. Et en ce qui concerne les grands chercheurs, ils se considéreraient déshonorés s’ils travaillaient avec les méthodes des autres. »
Etrange pour un milieu censé être innovant, non ?

Mais, revenons à notre cerveau. Il est maintenant percé à jour, découpé en tranche, détaillé. Mais il faut attendre 2013 pour enfin pouvoir décrypter l’organe sans avoir à en faire du hachis.
L’intérêt ? Avoir accès à des images du cerveau en trois dimensions et à haute résolution, permettant d’observer tout aussi bien les détails que le fonctionnement global.
C’est ce qu’a permis de faire un projet de recherche du nom de Clarity grâce à la mise au point d’un procédé permettant de remplacer les lipides, composés opaques, par un hydrogel. L’hydrogel joue le même rôle structurant des lipides mais sa transparence permet d’observer l’intérieur du cerveau. Pour marquer et colorer les différentes parties de l’encéphale, il faut ensuite le plonger dans une solution adaptée pendant deux jours, puis l’isoler dans une chambre où il lui faudra rester deux mois. Ici, une petite exploration 3D d’un cerveau de souris :

Mais il reste encore à développer de subtiles techniques optiques et des traitement d’images sophistiqués pour pouvoir exploiter au maximum ces données. Qui sait ce que nous dévoilera ce nouveau procédé ? 

Même si, depuis les années 1950, l’avènement des microscopes électroniques a permis de valider définitivement la théorie du neurone, la renommée de Ramón y Cajal subsiste encore et toujours aujourd’hui. Il inspire maintenant des chercheurs … en informatique.
L’équipe de Hermann Cuntz développe des méthodes de simulation de créations de réseaux neuronaux en se basant sur le lien étroit entre structure et fonction :
« Plus de cent ans auparavant, la grande découverte de Ramón y Cajal était que l’on pouvait lire les connexions entre les neurones, simplement en regardant leurs formes. […] Inspiré par les observations de Cajal, nous avons créé un programme informatique qui génère artificiellement des formes de neurones une fois que le schéma de connexion est connu. »
Et les structures de neurones ainsi générées ne sont pas différentiables d’un réseau de neurone réel, tant par leur anatomie que par leurs fonctions ! Ces recherches permettent ainsi de mieux comprendre quelles sont les connexions et les fonctions réelles des neurones de notre cerveau. 

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Forest of synthetic pyramidal dendrites grown using Cajal’s laws of neuronal branching, Hermann Cuntz

Greg Dunn, s’il avait cela devant les yeux, se dirait sûrement que ces réseaux de neurones simulés sont aussi splendides que les réseaux réels.
En effet, ce diplômé en neuroscience de l’Université de Pennsylvania, fortement troublé par la ressemblance entre les réseaux de neurones et l’art asiatique, s’est lancé dans l’art neuronal. Dunn crée des neurones en soufflant des pigments sur une toile, qu’il colore ensuite avec des feuilles d’or ou à l’aide de palladium. A l’aide de techniques sophistiquées de lithographie, il réussit également à donner des angles différents de réflectivité à chacun des neurones, et le dessin se modifie selon la position et le mouvement du spectateur.

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Brainbow Hippocampus, Greg Dunn

Alors, le cerveau, centre biologique de création, se dématérialise peu à peu pour devenir une œuvre d’art à lui tout seul. Une mise en abyme fascinante et une preuve de plus que l’homme ne peut pas s’empêcher de tout mélanger : biologie et psychologie, art et science.

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Cortex in Metallic Pastels, Greg Dunn
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