Que se passe-t-t ’il dans notre cerveau lorsque nous avons un bras dans le plâtre ? Un article publié par une équipe américaine dans le journal Neuron le 5 août dernier décrit comment le cerveau réagit à l’inutilisation d’un de nos membres, en faisant intervenir la plasticité cérébrale. En 48h, les régions cérébrales associées à ce membre se « déconnectent » du reste du cerveau, de manière réversible. Cette étude illustre comment notre cerveau est « malléable ».
Quelles régions du cortex cérébral sont associées à nos membres ?
Parmi les régions cérébrales associées à nos membres (jambes, bras) figurent le cortex cérébral moteur (impliqué dans le mouvement volontaire, l’action) et le cortex cérébral somatosensoriel (sensations). Le cortex cérébral est la partie superficielle de notre cerveau, impliquée dans les processus conscients (visuels, auditifs, sensitifs, abstraction, interactions sociales, traitement de l'information, prise de décision,etc.) et particulièrement développée chez l’humain. On peut dire que les cortex cérébraux moteur et somatosensoriels sont en haut de la hiérarchie des aires cérébrales associées à nos membres (ils ne sont pas les seuls impliqués mais le cortex cérébral moteur « donnera l’ordre » du mouvement et le cortex cérébral somatosensoriel recevra de manière consciente les sensations liées à nos membres).
Les cortex cérébraux moteur et somatosensoriel sont situés l’un en face de l’autre au milieu de notre cerveau (voir Figure 1). Les cortex cérébraux de l’hémisphère droit sont associés aux membres gauches et réciproquement. Il existe une cartographie au sein de ces cortex cérébraux, découverte en 1950 par les canadiens Theodore Rasmussen (1910-2002) et Wilder Penfield (1891-1976) qu’on appelle l’homoncule (voir Figure 1) : la partie supérieure de ces cortex cérébraux est associées aux membres (du pied à la main) et la partie inférieure au visage (nez, bouche, langue). Il est intéressant de noter que tous les membres ne sont pas associés à une aire de même taille : la main et les lèvres sont par exemple sur-représentés par rapport à leur taille : nous sommes davantage sensibles dans ces régions. Les organes génitaux ne sont pas dans la continuité des pieds vers la main, mais sous l’aire des pieds.
Ainsi, si je sens quelque chose de gênant à ma main droite, une région de mon cortex cérébral somatosensoriel gauche va s’activer, puis la région en face dans le cortex cérébral moteur va « donner l’ordre » de bouger ma main.
Une autre région cérébrale associée aux mouvements est le cervelet (voir Figure 1). Il s’agit d’une région située sous le cerveau, qui a l’apparence de lui être séparée anatomiquement, impliquée dans la coordination des mouvements. Par exemple, lorsque nous marchons le cervelet « recalcule » notre itinéraire si un obstacle imprévu se présente. Cela ne fait pas nécessairement intervenir le cortex cérébral : ce « calcul » n’est pas conscient et est beaucoup plus rapide que s’il devait passer par le cortex cérébral.
Figure 1 : Régions cérébrales associées à nos membres. Nos membres sont associés aux cortex cérébral moteur et somatosensoriel (le cortex cérébral est la partie superficielle du cerveau), situés au milieu du cerveau, l'un en face de l'autre. Ces deux cortex cérébraux présentent une cartographie : l'homoncule , des régions situées à l'extrémité supérieure associées aux pieds au régions latérales associées à la main ; les régions situées à l'extrémité inférieure sont associées au visage ; les parties génitales sont sous l'aire associée aux pieds. Le cervelet, associé à la coordination des mouvements, est une structure située sous le cerveau (région en violet sous le cortex visuel sur le schéma) . @SciencesHumaines,nov-dec2011
L’activité spontanée
Qui n’a pas entendu l’adage que nous n’utiliserions que 10% de notre cerveau ? Cette hypothèse suppose que notre cerveau serait la plupart du temps inerte, inexploité, et que nous n’utiliserions qu’une infime partie associée à la tâche que nous sommes en train d’effectuer (par exemple activer le cortex cérébral visuel lorsqu’on lit un article). Il n’en n’est rien : notre cerveau, qui consomme de manière à peu près constante 20% de notre énergie, consacre la grande majorité de son énergie à ce qu’on appelle l’activité spontanée.
Cette dernière a été mise en évidence en 1995 par les américains Bharat Biswal (1967-) et James Hyde (1932-) entre les cortex cérébraux moteurs droit et gauche chez des personnes immobiles par IRM fonctionnelle. Cette méthode permet d’identifier les régions cérébrales qui s’activent lorsqu’on effectue une tâche particulière : elle permet d’associer ces régions à la tâche effectuée. La particularité de ces expériences est qu’ici les patients n’effectuaient pas de tâche particulière, ils étaient au repos : on parle alors d’IRM fonctionnelle au repos (resting state fMRI). Ici, Biwal et Hyde ont décrit une activité synchrone entre les cortex cérébraux moteurs droit et gauche alors que les patients étaient immobiles. Cette découverte n’était pas évidente : si une activation du cortex cérébral moteur gauche est attendue lorsque nous bougeons le bras droit (et réciproquement pour l’autre côté), il n’était pas du tout attendu que les cortex moteurs des deux régions soient actifs alors que nous sommes immobiles.
Les régions cérébrales qui sont souvent actives en même temps entretiennent en quelque sorte leur relation en s’activant de manière spontanée (sans stimulus, sans mouvement volontaire) en même temps (voir la théorie de Donald Hebb établie dans les années 1949 voulant que deux neurones qui sont sollicités plusieurs fois en même temps deviennent fortement connectés). L’intensité de cette activité spontanée est faible, si bien qu’il n’en résulte pas de mouvements involontaires ou des hallucinations. Elle participe aux processus d’apprentissage, notamment au cours du développement ou suite à un accident vasculaire cérébral.
Qu’en est-il lorsque nous avons le bras dans le plâtre ?
Dans l’article publié en août dernier, les auteurs ont plâtré tout le bras (doigts compris) dominant (droit pour les droitiers et réciproquement) de trois personnes (âgés entre 25 et 35 ans) pendant 2 semaines. Ils ont pratiqué tous les jours de l’imagerie IRM fonctionnelle au repos (voir plus haut) 30 minutes par jour afin de mesurer l’activité spontanée chez ces patients. Avant l’immobilisation, une activité spontanée entre les cortex cérébraux moteurs droit et gauche était observée comme décrit plus haut (voir Figure 2). Plus précisément, la région associée au bras droit et la région associée au bras gauche s’activaient de manière spontanée en même temps, révélant une connexion fonctionnelle. De même pour les autres membres comme les pieds.
48h après la pose du plâtre, cette activité spontanée entre les régions associées aux bras droit et gauche n’était plus observée (voir Figure 2), alors que celle pour les pieds et le visage était maintenue. La disparition de cette activité spontanée révèle une baisse de la connexion fonctionnelle entre les régions associées au bras immobilisé et le reste du système cérébral moteur. Elle s’accroit au cours des 2 semaines d’immobilisation et se rétablit rapidement lors de la dépose du plâtre. De même, les régions au sein du cervelet associée au bras immobilisé se sont déconnectées fonctionnellement des autres régions motrices du cervelet. Cette expérience illustre la plasticité cérébrale au sein du système moteur, c'est-à-dire la capacité qu'a notre cerveau de moduler les connexions entre ses différentes régions, en réponse à des modifications de l'environnement, des sens ou de l'usage des membres. Nous avions déjà évoqué l'existence d'une telle plasticité de la région de l'homoncule associée à l'usage des doigts (voir "La Plasticité cérébrale au cœur de l'apprentissage").
Est-ce que les régions associées au bras immobilisé étaient silencieuses pour autant ? Le cerveau « n’aime » pas avoir des régions complètement inactives. Certes, l’immobilisation du bras recrutait moins ces régions mais elles « s’entretenaient » elles-mêmes : une plus forte activité spontanée était observée entre ces régions déconnectées ; par exemple, entre les régions du cortex cérébral moteur et du cervelet associées au bras immobilisé. Cette activité est aussi observée dans le cerveau immature, par exemple au cours du développement fœtal : avant même que les membres soient sollicités, les régions cérébrales qui leur seront associées entretiennent une forte activité spontanée.
Figure 2 : Quand le bras droit est immobilisé, la connexion fonctionnelle entre le cortex cérébraux moteurs gauche (associé au bras droit) et droit (pre) disparaît (cast) puis est rétablie après la dépose du plâtre (post). @Neuron
En conclusion, cette expérience illustre la plasticité du cerveau adulte humain en ce qui concerne le système moteur. L'immobilisation d'un bras entraine une déconnexion fonctionnelle rapide (en 48h) des régions cérébrales qui lui sont associées des autres régions cérébrales motrices et une reconnexion fonctionnelle rapidement après la dépose du plâtre. Pendant l'immobilisation, les régions déconnectées fonctionnellement du reste du système moteur augmentent la connexion fonctionnelle entre elles. Cette connexion plus importante permet, alors que ces régions ne sont pas sollicitées, de maintenir une cohésion entre elles et pourraient faciliter leur usage au moment de la dépose du plâtre. Toutefois, elles manifestent une activité immature, qui impose au moment de la reprise des mouvements de ré-apprendre à utiliser son bras et à le coordoner aux autres membres. Est-ce que cette plasticité est la même chez le sujet plus jeune ou plus âgé (ici les individus avaient entre 25 et 35 ans) ; autrement dit, existe-t-il une période sensible avec plus grande plasticité cérébrale entre les différentes régions motrices ? Existe-t-il une variabilité entre individus (ici seuls 3 individus ont été étudiés) ? Ce schéma peut-il être appliqué à d'autres systèmes, régions cérébrales ? Cette étude permet en tout cas de mieux comprendre les mécanismes cérébraux impliqués lors de l'immobilisation d'un membre et pourraient servir de base à l'étude d'une immobilisation plus longue, voire de la perte d'un membre.
Sources :
Newbold et al., Plasticity and Spontaneous Activity Pulses in Disused Human Brain Circuits, Neuron. 2020 Aug 5;107(3):580-589.e6
Marc Gozlan, Que fait le cerveau quand il ne fait rien ?, Le Monde, 21 mars 2013
Biswal et al., Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo‐planar mri, Magn Reson Med. 1995.
Penfield & Rasmussen, The cerebral cortex of man, 1950
Hebb, Organization of Behavior, 1949
