L'exploration du cerveau à toutes les échelles de son fonctionnement constitue un triple défi. Le premier est instrumental et méthodologique ; le deuxième, expérimental ; le troisième, conceptuel et théorique. Les apports des équipes du CEA dans le développement de l'instrumentation en imagerie cérébrale, des approches expérimentales et théoriques, des biomarqueurs ou des interventions exploratoires et thérapeutiques leur confèrent une place éminente sur la scène internationale.
Avant-propos
Porté par la vision stratégique de grands pionniers, le CEA s’est engagé depuis plus de cinquante ans dans des recherches sur le cerveau. Ce numéro de Clefs CEA est l’occasion de faire un état de l’art sur les avancées récentes de ces travaux, conduits le plus souvent en partenariat avec d’autres établissements de recherche, notamment l’Inserm, le CNRS, l’Inria, le Collège de France et l’Université Paris-Sud.
La complexité du système nerveux :
un défi pour les neurosciences
Notre conscience du monde et de nous-mêmes est univoque et cohérente, elle s’impose à nous comme une évidence. En revanche le cerveau humain, d’où émane cette conscience, est constitué d’une myriade d’éléments distincts. Comment mettre de l’ordre et donner un sens à cet assemblage de molécules, de cellules, de synapses et autres connexions, de réseaux et de systèmes ?
I L'exploration non invasive du cerveau
Les techniques d'exploration cérébrale par IRM se partagent actuellement en trois grandes catégories. L'imagerie anatomique fournit des détails, parfois très fins, sur la forme et le volume des différentes parties d'un cerveau. L'imagerie fonctionnelle, quant à elle, établit des cartes de l'activité cérébrale dans diverses conditions ou en réponse à des stimuli variés. L'imagerie par IRM de diffusion permet, entre autres, d'obtenir des cartes de la connectivité cérébrale. La tomographie par émission de positons donne accès aux métabolites et aux neurotransmetteurs, tandis que l'électroencéphalographie et la magnétoencéphalographie fournissent des informations précieuses sur la temporalité des événements au sein du cerveau. Toutes ces modalités sont complémentaires et souvent exploitées conjointement. Si les avancées techniques permettent de repousser les limites de l'imagerie cérébrale, il reste cependant des marges de progrès.
II Développement, apprentissages et plasticité du cerveau
Pendant très longtemps, le cerveau de l'enfant est resté une boîte noire. Il a fallu attendre le développement de l'imagerie cérébrale non invasive pour étudier comment le cerveau de l'enfant apprenait à parler, lire ou calculer. Ces recherches permettent notamment de comprendre les mécanismes subtils susceptibles d’être altérés dans des pathologies développementales telles que la dyslexie, la dyspraxie ou la dyscalculie et comment la maturation très hétérogène et prolongée du cerveau humain peut expliquer les particularités de la cognition du nourrisson, de l’enfant et de l’adolescent.
III Architecture cognitive et cerveau
La complexité du traitement de l’information par le cerveau se dévoile peu à peu grâce aux études expérimentales couplant la neuroimagerie fonctionnelle aux neurosciences cognitives et aux sciences computationnelles. Les opérations d’encodage et de décodage de l’information effectuées par le cerveau sont illustrées dans ce chapitre par trois grandes fonctions cognitives que sont le langage, la conscience et la cognition temporelle.
IV Santé mentale et vulnérabilité
Ce chapitre illustre la manière dont les troubles mentaux s’incarnent dans des modifications du cerveau. Les maladies mentales ne sont généralement pas des affections expliquées par une cause unique. Elles sont plutôt conçues comme résultant de facteurs environnementaux, sociaux et psychologiques, et le cerveau est sensible à toutes ces influences.
V Les maladies neurodégénératives
Les maladies neurodégénératives constituent un groupe hétérogène de pathologies responsables de désordres cognitifs et/ou moteurs. Pour la plupart d’entre elles, le diagnostic reste incertain et il n’existe encore pas de traitement curatif. Aussi la recherche d’un marqueur diagnostique et celle d’une approche thérapeutique demeurent-elles non seulement un défi important mais également une nécessité socio-économique.
VI Faire émerger des biomarqueurs des dysfonctionnements cérébraux
La communauté internationale s’organise aujourd’hui pour constituer de manière collaborative de gigantesques bases de données sur chacun des dysfonctionnements cérébraux. Elle s’attache à déceler des biomarqueurs que seul l’ordinateur est capable de découvrir au sein de ces océans d’informations. De tels biomarqueurs offriraient la possibilité de détecter certaines faiblesses ou la signature d’une pathologie avant les premiers signes cliniques, augmentant ainsi considérablement les chances de succès d’une thérapie préventive.
L'exploration du cerveau change d'échelle
L'exploration scientifique du cerveau entre dans une nouvelle ère. Plusieurs projets internationaux de grande ampleur veulent en effet mettre à profit les progrès de l'imagerie et des technologies de l'information pour comprendre, modéliser et simuler le fonctionnement du cerveau humain, à toutes les échelles.