Cerveau, chance et chaos

Les neurosciences vivent une période nouvelle et particulièrement fructueuse dans leurs rapports avec la physique et les mathématiques. En neurobiologie, ainsi que dans d'autres corpus du savoir, a dominé jusqu'ici une conception causale héritée de la mécanique de Newton selon laquelle le fonctionnement du cerveau obéirait aux seules lois du déterminisme classique. La notion de « câblage » anatomique et celle d'arc réflexe illustrent bien ce schéma traditionnel du tout ou rien qui a conduit a trop souvent exclure du champ de notre réflexion, la variabilité et le caractère imprévisible, pourtant évidents, de nombre de faits expérimentaux. Nous montrerons à l'aide de quelques exemples que cette situation se modifie rapidement et que les « interfaces » entre les différentes disciplines souvent invoquées en vain dans le passé, deviennent une réalité. Un matériel expérimental privilégié a été celui d'un neurone qui commende la réaction de fuite chez les poissons. Véritable « cerveau dans le cerveau », il permet d'étudier tous les mécanismes de la communication neuronale qui ont été identifiés chez toutes les espèces, y compris les Primates. À son niveau, la transmission de la communication entre les neurones est loin d'être garantie, elle obéit au contraire aux lois du hasard : comme si chaque synapse jouait aux dés le fait qu'elle relaie ou non un message après chaque influx. Ce caractère probabiliste confère à la communication nerveuse et par conséquent aux comportements qu'elle sous-tend, une « liberté » dont la valeur adaptative est fondamentale. Elle intervient de plus dans certains processus de mémorisation et d'apprentissage. L'étude de phénomènes électriques communs également à tous les neurones, à l'aide de la dynamique non linéaire mise au point par les physiciens, a d'autre part suggéré que l'apparence stochastique de ces processus cache en fait un ordre sous-jacent, celui du chaos déterministe. Le terme « déterministe » signifiant que la dynamique en cause obéit bien à des lois mais, que l'évolution des phénomènes concernés est imprévisible du fait de leur sensibilité à toute perturbation. Cette découverte qui remet en cause bien des idées reçues, offre des perspectives inattendues pour qui veut comprendre la nature des états internes du cerveau ou encore dans une perspective thérapeutique de certaines affections neurologiques.

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Paris, 20 mai 2008

Artères et veines, un mariage forcé
Une équipe pluridisciplinaire, composée de physiciens et de biologistes français et allemands(1), vient de découvrir comment, chez l'embryon, les artères et les veines se développent en paires parallèles. Grâce à des mesures physiques, des modèles théoriques et des simulations numériques, les chercheurs montrent comment la croissance des artères oriente directement celle des veines par un processus dépendant uniquement des forces mécaniques en présence. Ces travaux sont publiés en ligne sur le site de la revue Physical Review E(2).
Un réseau vasculaire extraordinairement complexe, composé d’artères, de capillaires et de veines, parcourt l'organisme des vertébrés. Il apporte à chaque cellule l'oxygène et les nutriments nécessaires et permet d’évacuer les déchets métaboliques produits. Ce réseau contient un si grand nombre de branches que les positions de chaque vaisseau ne peuvent pas être codées génétiquement. Cependant, la génétique est souvent évoquée pour expliquer le fait que, chez l'adulte, les artères et les veines cheminent très fréquemment par paires parallèles, une artère étant même souvent encadrée par deux veines qui lui sont strictement parallèles. Pendant le développement embryonnaire une «conversation génétique» artères/veines permettrait en effet d’interpréter ce phénomène.

Dans leur article paru dans Physical Review E, les chercheurs montrent comment des phénomènes physiques (mécaniques, hydrodynamiques et élastiques) conduisent à un développement parallèle des artères et des veines.
Une étude détaillée du développent spatial et temporel des artères et des veines au stade embryonnaire montre qu'une métamorphose de l'arborescence vasculaire se produit spontanément en cours de croissance. Au stade embryonnaire précoce, on observe une organisation spatiale en série, où les artères et les veines sont situées dans des régions distinctes de l’espace. Puis rapidement, après quelques jours de développement embryonnaire, de nouvelles veines se développent en parallèle des artères existantes et les territoires vasculaires s’entrelacent.
A partir de visualisations du réseau vasculaire et de la mesure de paramètres mécaniques locaux réalisées in situ, les chercheurs démontrent que cette métamorphose est initiée par la croissance des artères. A leur voisinage, on observe une réponse visco-élastique du tissu vivant, se traduisant par un gonflement. Cette réponse entraîne à son tour une augmentation de la perméabilité du lit capillaire, très localisée dans des zones parfaitement parallèles aux artères précédemment formées. Ces zones de forte conductivité sont sélectionnées par l'écoulement sanguin qui y circule plus favorablement, puis remodelées en veines, dès que le tissu atteint une taille critique, qui a été prédite théoriquement. Des simulations numériques de l’écoulement sanguin réalisées dans des réseaux vasculaires idéalisés d’organes, à différents stades de croissance, ont confirmé ces résultats.

Ce travail apporte un éclairage nouveau sur l’importance de la mécanique dans le développement embryonnaire. Il existe dans les embryons un paysage de forces mécaniques formant une dentelle de régions dures ou molles, qui évolue spontanément sous l’action des poussées exercées par les cellules. Analyser la composante physique des différents actes du scénario du développement embryonnaire permettra de comprendre la cause des aberrations du développement ou des pathologies causées par des gènes défectueux, qui altèrent les propriétés physiques du tissu.

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Chaque année en France, 130 000 personnes sont victimes d'un accident vasculaire cérébral (AVC). Parmi les AVC dits hémorragiques, près de 60% des patients sont confrontés à une récidive dans les 3 à 10 jours qui suivent la première attaque, en raison de l'apparition d'un vasospasme cérébral. Il s'agit d'une constriction des vaisseaux sanguins du cerveau, fatale dans 40% des cas…
Jusqu'à présent, les médecins ignoraient la cause exacte de cette rechute mais suspectaient certains composés présents dans le liquide céphalo-rachidien. En condition normale, le liquide céphalo-rachidien débarrasse le cerveau de ses déchets, et récupère les éléments nutritifs au niveau d'une "frontière" : la barrière hémato-encéphalique. En effet, l'accident vasculaire cérébral initial entraîne la formation de substances toxiques pour le cerveau. À leur tour, celles-ci contribuent au développement de molécules spécifiques impliquées, semble-t-il, dans le vasospasme et qui ne sont pas éliminées, d'où la récidive... Au banc des accusés : l'hémoglobine, la bilirubine, les lipides peroxydés et un groupe de produits d'oxydation de la bilirubine.
En s'appuyant sur ses premiers travaux menés chez des rats, qui avaient montré que les produits d'oxydation de la bilirubine étaient impliqués dans l'apparition d'un vasospasme cérébral, l'équipe du Dr Joseph Clark, chercheur en neurologie à l'Université de Cincinnati est passée à l'étude sur l'homme. Elle a suivi ainsi un échantillon de 12 malades atteints d'AVC hémorragiques. Dans les 10 jours qui ont suivi leur attaque cérébrale, 4 d'entre eux ont été frappés d'un infarctus secondaire, autrement dit, d'un vasospasme cérébral. Tous présentaient des taux élevés de bilirubine et de produits d'oxydation de la bilirubine. Seul un autre patient, qui avait un taux de bilirubine élevé, n'a pas eu d'AVC secondaire. En effet, son taux de produits d'oxydation de la bilirubine est resté faible.
Ces résultats étaient publiés en mars dans la revue Journal of Cerebral Blood Flow. Selon les chercheurs, malgré le petit nombre de cas humains étudiés ici, la corrélation entre la bilirubine et le stress oxydatif responsable de l'apparition de ces fameux produits d'oxydation de la bilirubine est évidente. De là, il serait possible à l'avenir de développer de nouveaux tests de diagnostic afin d'évaluer quels sont les survivants à un tel type d'AVC qui présentent le plus grand risque de récidive, voire même de mettre au point de nouvelles voies thérapeutiques…

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Plantes, molécules et médicaments

"Plongé dès l'origine dans un univers hostile, l'homme a appris à utiliser les ressources de son environnement pour se nourrir, pour tuer, mais aussi pour se soigner. Ce sont ces connaissances ancestrales qui ont permis de constituer notre pharmacopée, l'arsenal des médicaments que nous utilisons. L'essor de la chimie au début du XXème siècle a donné naissance à une autre catégorie de médicaments, sans rapport avec la structure d'une molécule naturelle, ce qu'on appelle les ""médicaments de synthèse"" par opposition aux ""médicaments d'origine naturelle"". La recherche, aujourd'hui, de nouvelles molécules dans le monde naturel pour leur utilisation en thérapeutique humaine, reste de première importance. La mise sur le marché ces dernières années d'anticancéreux comme la Navelbine et le Taxotère constituent autant d'exemples de substances issues de la ""chimie du naturel"" et utilisées avec fruit en thérapeutique. D'autres recherches en milieu tropical sont activement menées pour découvrir de nouvelles substances actives pour soigner le cancer, le SIDA, les maladies du vieillissement. Le temps presse, car ce patrimoine de l'humanité s'appauvrit chaque jour, et la perte sera irréparable."

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