Neuroplasticité Automatique traduire

La neuroplasticité est une propriété fondamentale du système nerveux qui lui permet de modifier sa structure et son organisation fonctionnelle en réponse à l’expérience sensorielle, à l’apprentissage ou à une lésion. Ce processus ne se limite pas à une simple modification de l’efficacité de la transmission synaptique, mais englobe un large éventail de modifications : des réarrangements moléculaires au sein des neurones individuels à la réorganisation à grande échelle des cartes corticales. Longtemps dominées par le dogme de la nature statique du cerveau adulte, les neurosciences sont aujourd’hui confirmées par la recherche moderne : des changements plastiques se produisent tout au long de l’ontogenèse, garantissant la flexibilité cognitive et la possibilité d’une récupération fonctionnelle.

Évolution historique du concept

Les conceptions relatives à la capacité du cerveau à se transformer ont connu une évolution radicale au cours du siècle dernier. Au début du XXe siècle, le neurohistologue espagnol Santiago Ramón y Cajal, qui a formulé la doctrine neuronale, postulait que les voies neuronales du cerveau adulte étaient fixes, finies et immuables. Selon cette conception, la neurogenèse et les réorganisations à grande échelle n’étaient possibles que durant les périodes embryonnaire et postnatale précoce. Ce paradigme a freiné le développement de la médecine de réadaptation pendant des décennies, car on croyait alors qu’il était impossible de récupérer après une lésion du système nerveux central.

Un tournant décisif survint au milieu du XXe siècle avec les travaux de Donald Hebb. En 1949, il proposa un mécanisme théorique de plasticité synaptique, plus tard baptisé « règle de Hebb ». L’hypothèse principale était que si l’axone de la cellule A est suffisamment proche de celui de la cellule B pour l’exciter et participe constamment à son activation, des modifications métaboliques ou des processus de croissance se produisent dans l’une ou les deux cellules, augmentant ainsi l’efficacité de la stimulation. L’adage « les neurones qui s’activent ensemble se connectent ensemble » devint un axiome en neurophysiologie.

Dans les années 1960 et 1970, David Hubel et Torsten Wiesel ont mené une série d’expériences sur le cortex visuel de chatons et de singes, démontrant l’existence de périodes critiques de développement. Ils ont montré que la privation monoculaire (fermeture d’un œil) à un jeune âge entraîne une réduction irréversible des colonnes de dominance oculaire responsables de l’œil fermé et une expansion de celles responsables de l’œil ouvert. Ceci a démontré la dépendance de la formation des structures corticales aux entrées sensorielles. Plus tard, Michael Merzenich a cartographié le cortex somatosensoriel de singes et découvert que les cartes corporelles peuvent être réorganisées, même chez les animaux adultes, lorsque les signaux entrants changent (par exemple, lors de l’amputation d’un doigt ou d’un entraînement), réfutant définitivement le dogme de l’immuabilité du cerveau adulte. Paul Bach-y-Rita, travaillant sur la substitution sensorielle, a démontré que le cerveau est capable d’interpréter les signaux tactiles provenant du dos ou de la langue comme des informations visuelles, ouvrant la voie à la création de dispositifs pour les personnes aveugles.

Mécanismes moléculaires de la plasticité synaptique

Au niveau microscopique, la neuroplasticité repose sur des modifications de l’efficacité de la transmission du signal entre les neurones : la potentialisation à long terme (PLT) et la dépression à long terme (DLT). Ces processus régulent la force des connexions synaptiques, considérée comme le substrat physiologique de la mémoire et de l’apprentissage.

La potentialisation à long terme (LTP) est un renforcement durable de la transmission synaptique qui survient après une stimulation à haute fréquence. Le mécanisme d’induction de la LTP dans l’hippocampe dépend généralement de l’activation des récepteurs NMDA. Au repos, ces récepteurs sont bloqués par les ions magnésium. Lors d’une forte dépolarisation de la membrane postsynaptique (provoquée par les récepteurs AMPA), le blocage par les ions magnésium est rompu, ouvrant un canal permettant l’entrée des ions calcium. Une augmentation rapide de la concentration intracellulaire de calcium active la kinase II dépendante du calcium-calmoduline (CaMKII) et la protéine kinase C.

La phase précoce de la potentialisation à long terme (LTP) (d’une durée de 1 à 3 heures) ne nécessite pas la synthèse de nouvelles protéines et est médiée par la phosphorylation des récepteurs AMPA existants, ce qui augmente leur conductance, ainsi que par l’exocytose de récepteurs supplémentaires à partir de réserves intracellulaires vers la membrane postsynaptique. La phase tardive de la LTP (d’une durée de plusieurs jours à plusieurs semaines) requiert l’expression de gènes et la synthèse protéique. Un signal est transmis au noyau cellulaire, où le facteur de transcription CREB (protéine de liaison à l’élément de réponse à l’AMPc) déclenche la synthèse des protéines nécessaires à la formation de nouveaux contacts synaptiques et à la stabilisation de ces modifications.

La LTD, quant à elle, est un processus d’affaiblissement des connexions synaptiques, nécessaire pour éliminer les informations non pertinentes et prévenir l’hyperexcitation du réseau. La stimulation à basse fréquence induit un influx modéré de calcium, qui active les phosphatases (par exemple, la calcineurine) plutôt que les kinases. Ces enzymes déphosphorylent les récepteurs AMPA et initient leur endocytose (entrée dans la cellule), réduisant ainsi la sensibilité synaptique au glutamate. L’équilibre entre la LTP et la LTD assure l’homéostasie des réseaux neuronaux, les empêchant de devenir épileptiquement actifs ou complètement silencieux.

Plasticité structurale et remodelage

Les modifications fonctionnelles s’accompagnent souvent de réorganisations structurelles. La plasticité structurale implique des changements physiques dans l’architecture neuronale : la croissance et la ramification des dendrites, la formation de nouvelles épines dendritiques, des modifications de la forme des contacts synaptiques et la croissance axonale.

Les épines dendritiques sont de minuscules projections des dendrites qui constituent le principal site de formation des synapses excitatrices. Elles sont très dynamiques : elles peuvent apparaître, disparaître ou changer de forme (de fins filopodes à des épines stables en forme de champignon) en quelques minutes. Le cytosquelette d’actine au sein de l’épine joue un rôle central dans cette flexibilité morphologique. Lors de l’apprentissage, on observe une augmentation de la densité des épines dans les aires corticales correspondantes. Par exemple, chez les animaux de laboratoire, lors de l’apprentissage de compétences motrices, de nouvelles épines stables se forment dans le cortex moteur et y persistent longtemps.

La repousse axonale est observée comme mécanisme compensatoire suite à une lésion. Si une voie nerveuse principale est interrompue (par exemple, par un AVC), les axones survivants peuvent produire des ramifications latérales (collatérales) pour innerver les zones dénervées. Ce processus est régulé par un équilibre complexe entre facteurs de croissance (comme le BDNF, facteur neurotrophique dérivé du cerveau) et inhibiteurs de croissance (protéines de la myéline telles que Nogo-A).

Neurogenèse dans le cerveau adulte

La possibilité de la formation de nouveaux neurones chez l’adulte est restée un sujet de vifs débats tout au long du XXe siècle. Les méthodes modernes, notamment la datation au radiocarbone (qui évalue l’incorporation de l’isotope C-14, accumulé dans l’atmosphère lors des essais nucléaires, dans l’ADN cellulaire), ont permis d’obtenir des données précises.

Chez l’humain, la neurogenèse a été confirmée de manière fiable dans le gyrus denté de l’hippocampe, une structure essentielle à la formation de la mémoire épisodique et à la navigation spatiale. Les travaux de l’équipe de Jonas Friesen ont montré qu’environ 700 nouveaux neurones se forment chaque jour dans l’hippocampe adulte. Cela signifie qu’environ 1,75 % de la population neuronale de cette région est renouvelée annuellement. Les nouvelles cellules prolifèrent, migrent et se différencient, s’intégrant ensuite aux réseaux neuronaux existants. Les jeunes neurones présentent une excitabilité et une plasticité accrues, ce qui les rend particulièrement importants pour la discrimination des motifs.

Contrairement aux rongeurs, chez lesquels une neurogenèse active est également observée dans la zone sous-ventriculaire avec migration cellulaire vers le bulbe olfactif, cette voie est pratiquement absente chez l’humain adulte ou ne conduit pas à la formation de neurones fonctionnels dans le bulbe olfactif. Ceci indique des différences interspécifiques dans les mécanismes de plasticité. Parmi les facteurs stimulant la neurogenèse figurent l’exercice aérobie, un environnement enrichi et l’apprentissage, tandis que le stress chronique et le vieillissement inhibent ce processus.

Périodes critiques et sensibles du développement

La plasticité cérébrale n’est pas uniforme tout au long de la vie. Il existe des périodes, appelées périodes critiques ou sensibles, durant lesquelles les réseaux neuronaux sont plus sensibles à certains types d’expériences sensorielles.

Un exemple classique est celui des colonnes de dominance oculaire dans le cortex visuel (V1). À la naissance, les afférences des yeux gauche et droit de la couche IV du cortex se chevauchent. Au cours du développement normal, en raison d’interactions compétitives, elles se séparent en bandes distinctes – les colonnes – répondant à chaque œil séparément. Si un œil est fermé pendant la période critique (privation monoculaire), les axones de l’œil ouvert envahissent le territoire cortical de l’œil fermé. Ceci entraîne une amblyopie – une baisse de l’acuité visuelle de l’œil privé de stimulation, qui ne peut être corrigée par des lunettes à l’âge adulte, car la représentation corticale est déjà mal formée.

Le mécanisme qui régule l’ouverture et la fermeture des périodes critiques repose sur la maturation des interneurones inhibiteurs sécrétant l’acide gamma-aminobutyrique (GABA). Plus précisément, les interneurones parvalbumine-positifs forment des réseaux périneuronaux – des structures de la matrice extracellulaire qui stabilisent les synapses et limitent la plasticité synaptique, marquant ainsi la fin de la période critique. La manipulation pharmacologique du système GABAergique ou la destruction des réseaux périneuronaux permettent de restaurer artificiellement la plasticité synaptique chez l’animal adulte, ouvrant des perspectives théoriques pour le traitement de l’amblyopie chez l’adulte.

Réorganisation systémique et cartes corticales

Le cerveau possède la capacité d’une réorganisation topographique à grande échelle. Les cortex somatosensoriel et moteur sont organisés de manière somatotopique : des aires corticales adjacentes contrôlent des parties du corps adjacentes (homoncule de Penfield). Cette organisation n’est pas figée. Lorsqu’une partie du corps reçoit des afférences (par exemple, lors d’une amputation du bras), l’aire corticale correspondante ne disparaît pas, mais est « capturée » par les afférences provenant de parties du corps voisines (par exemple, le visage ou le moignon).

Ce phénomène est à l’origine des sensations fantômes. Lorsqu’une personne se touche le visage, l’activation du cortex facial s’étend à la zone adjacente, auparavant associée à la main, ce qui est subjectivement perçu comme un contact sur la main absente. Des processus similaires se produisent lors de l’apprentissage. Chez les violonistes professionnels, la représentation des doigts de la main gauche dans le cortex somatosensoriel est nettement plus importante que chez les personnes ne pratiquant pas de musique. Il s’agit d’un exemple d’adaptation fonctionnelle permettant des mouvements fins.

Plasticité inadaptée

La plasticité n’est pas toujours positive. Une plasticité inadaptée (pathologique) est à l’origine de nombreux troubles neurologiques. La douleur fantôme est considérée comme la conséquence d’une erreur de réorganisation corticale : un décalage entre une commande motrice et l’absence de réponse sensorielle déclenche un signal douloureux.

Un autre exemple est la dystonie focale des musiciens (« crampe de scène »). Des mouvements intenses, stéréotypés et synchrones des doigts peuvent entraîner la fusion de leurs représentations corticales. Au lieu de zones distinctes et séparées pour chaque doigt, une carte floue se forme, les neurones étant activés par le mouvement de n’importe quel doigt. Ceci conduit à une perte de contrôle individuel : tenter de plier un doigt déclenche la flexion involontaire des autres. Le traitement de ces affections nécessite souvent une « rééducation » cérébrale (thérapie de rééducation sensorimotrice) afin de restaurer des cartes différenciées.

Les acouphènes (bourdonnements d’oreilles) ont également une origine centrale. Lorsqu’une perte auditive survient à certaines fréquences (par exemple, suite à une lésion des cellules ciliées de la cochlée), les neurones du cortex auditif sensibles à ces fréquences ne reçoivent plus le signal d’entrée. En raison d’une diminution de l’inhibition latérale, ils commencent à présenter une activité synchrone spontanée ou à répondre à des fréquences adjacentes, ce qui est perçu comme un son fantôme.

Le rôle du sommeil dans la régulation de la plasticité

Le sommeil joue un rôle crucial dans la consolidation de la mémoire et l’homéostasie synaptique. Selon l’hypothèse de l’homéostasie synaptique (HHS), proposée par Giulio Tononi et Chiara Cirelli, durant l’éveil, un renforcement généralisé des poids synaptiques (LTP) se produit grâce à l’apprentissage et à l’expérience. Ce processus est énergétiquement coûteux et conduit à la saturation synaptique, réduisant ainsi le rapport signal/bruit.

Pendant le sommeil lent, une réduction globale de la force synaptique se produit. Les connexions faibles et insignifiantes formées durant la journée sont éliminées, tandis que les connexions fortes sont proportionnellement affaiblies tout en conservant leur structure relative. Ce processus « réinitialise » le cerveau, restaurant ses ressources énergétiques et libérant de l’espace pour de nouveaux apprentissages le lendemain. Des marqueurs moléculaires, tels que la phosphorylation des récepteurs AMPA, confirment qu’après le sommeil, la force synaptique globale est réduite par rapport à avant le sommeil.

Application clinique : réadaptation et rétablissement

La compréhension des mécanismes de la neuroplasticité est à la base des méthodes modernes de neuroréadaptation. Parmi les méthodes les plus étayées par des preuves figure la thérapie par contrainte induite du mouvement (TCIM), développée par Edward Taub pour les patients victimes d’un AVC.

Après un AVC, les patients présentent souvent le phénomène de « non-utilisation acquise ». La parésie initiale rend l’utilisation du membre atteint difficile et infructueuse, induisant un renforcement négatif. Le patient compense en utilisant sa main saine, ce qui entraîne une réduction de la représentation corticale de la main atteinte (dégénérescence secondaire). La thérapie par stimulation corticale (SSC) consiste à limiter les mouvements du membre sain (par exemple, à l’aide d’une moufle) et à solliciter intensivement la main parétique pendant plusieurs heures par jour. Ceci oblige le cerveau à utiliser les voies neuronales affaiblies, stimulant ainsi la réorganisation corticale et l’extension de l’aire de contrôle du membre atteint.

La substitution sensorielle exploite la plasticité cérébrale pour compenser la perte de certains sens. Le TVSS (Tactile Vision Substitution System), développé par Paul Bach-y-Rita, convertit les images d’une caméra vidéo en impulsions électriques délivrées à un réseau d’électrodes placées sur la langue ou le dos. Après un entraînement, les patients aveugles commencent à percevoir ces motifs tactiles comme des images visuelles dans l’espace (le cortex «visualise» les signaux tactiles), démontrant ainsi la capacité du cerveau à reconfigurer les voies sensorielles.

Régulation génétique et épigénétique

La capacité du cerveau à se modifier n’est pas une constante universelle ; elle varie considérablement selon le profil génétique. Un régulateur clé est le gène codant pour le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF). Cette protéine est essentielle à la survie neuronale, à la croissance des synapses et à la différenciation des nouvelles cellules. La variation la plus étudiée de ce gène est le polymorphisme nucléotidique simple Val66Met, où la valine est remplacée par la méthionine en position 66 de la séquence d’acides aminés.

Les porteurs de l’allèle Met (environ 20 à 30 % de la population caucasienne) présentent des particularités dans le transport intracellulaire du BDNF. Ils présentent une sécrétion réduite de cette protéine en fonction de l’activité neuronale, ce qui peut entraîner une diminution du volume de l’hippocampe et une altération de la dynamique de la plasticité corticale. Des études utilisant la stimulation magnétique transcrânienne montrent que le cortex moteur des porteurs de l’allèle Met est moins réactif à la potentialisation à long terme (PLT) induite artificiellement que celui des porteurs de l’allèle Val. Cependant, cela ne doit pas être interprété comme un défaut définitif : une plasticité réduite peut conférer une plus grande stabilité aux réseaux neuronaux et une meilleure résistance aux pertes de mémoire, ce qui, dans certaines conditions, représente un avantage évolutif.

Outre la génétique statique, la plasticité est régulée par des mécanismes épigénétiques : des modifications chimiques de l’ADN et des histones qui n’altèrent pas le code génétique mais influencent l’activité des gènes. Pour que la mémoire à long terme se consolide, la chromatine (un complexe d’ADN et de protéines) doit être dans un état « ouvert », accessible à la lecture. L’acétylation des histones affaiblit leur liaison à l’ADN, permettant l’accès aux gènes de plasticité (tels que Creb1 et Bdnf ). Les histones désacétylases (HDAC), quant à elles, éliminent les groupements acétyle, compactent la chromatine et « verrouillent » les gènes, limitant ainsi la plasticité. Il a été démontré que les inhibiteurs d’HDAC restaurent la plasticité et les fonctions cognitives lors d’expériences, même dans le cadre de processus neurodégénératifs, ramenant le cerveau à un état de susceptibilité accrue caractéristique de la jeunesse.

Métaplasticité : homéostasie du changement synaptique

Si les synapses pouvaient se renforcer indéfiniment (LTP) à chaque activation, l’activité neuronale atteindrait rapidement la saturation, rendant le réseau instable et de type épileptique. Inversement, un affaiblissement indéfini (LTD) entraînerait un blocage complet du réseau. Pour éviter ces extrêmes, il existe un mécanisme appelé métaplasticité – la « plasticité de la plasticité » – décrit par la théorie de Biknenstock-Cooper-Munro (BCM), proposée en 1982.

La théorie BCM postule l’existence d’un «seuil glissant» pour la modification synaptique. Ce seuil n’est pas fixe, mais dépend de l’historique d’activité du neurone postsynaptique. Si un neurone a été très actif récemment, le seuil d’induction de la LTP augmente, de même que la probabilité d’une LTD. Il devient alors plus difficile de renforcer davantage les connexions, ce qui facilite leur affaiblissement et le retour à une activité normale. Inversement, si un neurone est resté longtemps inactif, le seuil de LTP diminue, rendant les synapses plus sensibles au renforcement, même par de faibles stimuli.

Au niveau moléculaire, ce mécanisme se traduit par des modifications de la composition des récepteurs NMDA. Lors de périodes de faible activité, la proportion de récepteurs contenant la sous-unité NR2B augmente au niveau des synapses. Ces récepteurs permettent un passage accru du calcium et restent ouverts plus longtemps, facilitant ainsi l’induction de la potentialisation à long terme (LTP). Ce mécanisme homéostatique explique pourquoi, après une période de privation sensorielle (par exemple, en cas de bandeau sur les yeux), le cortex visuel devient hyperexcitable et plastique.

L’influence du stress et de la physiologie

Les facteurs environnementaux et l’état physiologique de l’organisme influencent directement l’architecture des réseaux neuronaux. Le stress chronique a un effet ambivalent sur les différentes structures cérébrales. Des taux élevés de glucocorticoïdes (hormones du stress) entraînent une atrophie dendritique et une perte de synapses dans l’hippocampe et le cortex préfrontal médian, régions impliquées dans la mémoire et la régulation émotionnelle. Il s’agit du fondement physiologique des troubles cognitifs observés dans la dépression et les troubles anxieux.

Parallèlement, dans l’amygdale – centre de la peur et de l’agressivité – le stress chronique provoque l’effet inverse : une hypertrophie dendritique et un renforcement des connexions synaptiques. Il en résulte un cercle vicieux : une amygdale renforcée émet de puissants signaux d’alarme, tandis qu’un cortex préfrontal affaibli ne peut les inhiber efficacement.

L’activité physique est un puissant modulateur positif de la neuroplasticité, mais les mécanismes sous-jacents sont plus complexes qu’une simple amélioration du flux sanguin. Le lactate (acide lactique), produit par les muscles lors d’un exercice intense, joue un rôle clé. Longtemps considéré comme un déchet métabolique, le lactate peut traverser la barrière hémato-encéphalique et constituer une source d’énergie privilégiée pour les neurones. De plus, le lactate agit comme une molécule de signalisation, stimulant l’expression du gène Bdnf par l’activation des récepteurs NMDA et une cascade de réactions subséquente. Ainsi, le travail musculaire se traduit directement par un signal de croissance moléculaire pour les neurones de l’hippocampe.

Induction pharmacologique et technologique

Ces dernières années, le domaine de la stimulation pharmacologique ciblée de la neuroplasticité a connu un développement rapide. Les psychoplastogènes, une classe de substances capables d’induire des modifications structurelles rapides des neurones, suscitent un intérêt particulier. Parmi eux figurent la kétamine et les psychédéliques classiques. Contrairement aux antidépresseurs traditionnels (ISRS), dont les effets se développent sur plusieurs semaines, les psychoplastogènes peuvent induire la croissance des épines dendritiques dans le cortex préfrontal dans les 24 heures suivant une seule administration.

Le mécanisme d’action de ces substances est lié à l’activation directe de la voie de signalisation mTOR (cible de la rapamycine chez les mammifères), qui déclenche la synthèse des protéines nécessaires à la formation de nouvelles synapses. La kétamine, en bloquant les récepteurs NMDA sur les interneurones inhibiteurs, provoque une libération massive de glutamate, ce qui active paradoxalement les récepteurs AMPA et stimule la libération de BDNF. Ceci ouvre des perspectives pour le traitement des formes de dépression résistantes aux traitements classiques, considérées comme la conséquence d’un déficit des connexions synaptiques.

La stimulation cérébrale non invasive, telle que la stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS), utilise un faible courant continu pour moduler l’excitabilité corticale. La stimulation anodique dépolarise les membranes neuronales, augmentant leur fréquence de décharge et facilitant l’induction de la potentialisation à long terme (LTP) (apprentissage). La stimulation cathodique, quant à elle, hyperpolarise les membranes, favorisant la dépression à long terme (LTD) et inhibant l’activité excessive. Ces méthodes permettent une modulation ciblée de la plasticité dans des zones spécifiques, par exemple pour améliorer la récupération de la parole après un AVC.

Réserve cognitive et vieillissement

Avec l’âge, la neuroplasticité diminue, mais le cerveau conserve la capacité de compenser. Le concept de réserve cognitive, développé par Yakov Stern, explique pourquoi des personnes présentant le même degré de lésions cérébrales (par exemple, la maladie d’Alzheimer) manifestent des niveaux de déficience cognitive variables. La réserve est constituée de deux composantes : la réserve neuronale (l’efficacité et la capacité des réseaux neuronaux existants) et la compensation neuronale (la capacité à recruter des réseaux alternatifs).

Les personnes dotées d’importantes réserves cognitives, acquises grâce à l’éducation, à des activités professionnelles stimulantes et au bilinguisme, résistent mieux aux pathologies. Leur cerveau réorganise les voies de traitement de l’information, mobilisant des aires corticales supplémentaires pour résoudre des problèmes qui, chez les jeunes, sont pris en charge par des réseaux plus localisés. Par exemple, lors de tâches de mémorisation, les personnes âgées sollicitent souvent les deux hémisphères (bilatéralisation), tandis que les jeunes n’en utilisent qu’un seul. Il s’agit d’un exemple de plasticité fonctionnelle, qui agit comme un mécanisme de protection contre la neurodégénérescence.

Plasticité pathologique dans les addictions

La neuroplasticité sous-tend le développement des addictions. Des drogues comme la cocaïne ou les opioïdes provoquent une forte libération de dopamine dans le noyau accumbens, initiant une cascade de modifications plastiques du système de récompense. L’usage chronique entraîne des changements dans la structure des épines dendritiques et la densité des récepteurs. Des connexions synaptiques stables et «hyper-fortes» se forment, codant des associations entre la consommation de substance et le contexte (lieu, personnes). Ces traces mnésiques pathologiques sont extrêmement persistantes et peuvent provoquer des envies irrésistibles (craving) même des années après l’arrêt de la consommation, réactivées par le retour dans un environnement familier. Dans ce cas, l’objectif thérapeutique consiste à tenter d’«effacer» ou d’affaiblir ces connexions parasites, induisant une dépression à long terme (DLT) dans des circuits spécifiques.