Les neurosciences passent au blanc. Nulle lessive de printemps mais l'annonce d'un nouvel outil pour guider l'une des explorations les plus vertigineuses de la science contemporaine, celle du cerveau. Cet outil est un atlas.

Construit par informatique, il se présente en trois dimensions et non sur un plan. Il offre aux neuroscientifiques une cartographie d'une précision époustouflante de la matière blanche du cerveau.
The fibers of the material white in brain

Les fibres de la matière blanche du cerveau
Réalisé dans le cadre d'un vaste projet international, baptisé Connect (1), il vient de faire l'objet, le 19 octobre, d'une grande réunion de ses auteurs, sur le site du laboratoire NeuroSpin, à Saclay (Essonne), où se trouvent certains des plus puissants systèmes d'imagerie à résonance magnétique (IRM) du monde, utilisés dans cette opération.

« Comme du cristal »

Le cerveau, croit-on souvent, c'est la matière grise. Cependant notre boîte crânienne n'abrite pas un bloc de matière grise uniforme. Celui du cortex et des neurones, les longues cellules qui, connectées entre elles par milliards, constituent le support de nos activités cérébrales. Des activités qui vont de la commande musculaire consciente, ou des réflexes nécessaires à la survie, à la pensée complexe qui produit la théorie de la relativité générale.

Cette matière grise est indissociablement liée à une matière blanche « dont les fibres, formées de paquets d'axones protégées par des gaines de myéline, permettent les connexions intracérébrales et transmettent les informations entre régions du cerveau. Ce sont nos autoroutes de l'information »,
The material white in brain front view

La matière blanche du cerveau vue de face
explique Denis Le Bihan, directeur de NeuroSpin. Indispensable, ce domaine restait cependant le parent pauvre des recherches en neuro­sciences. Il manquait un atlas type de la matière blanche, et donc la carte moyenne, et non pathologique, de la connectique générale du cerveau humain.

Comment établir un tel atlas ? Les anatomistes ont bien tenté de partir de coupes cérébrales après la mort de donneurs d'organes. Mais les défauts liés aux déformations du cerveau subies lors de son prélèvement, de sa fixation ou de sa coupe sont irrémédiables. D'où l'idée de construire de novo un atlas de cette matière blanche à partir de cerveaux vivants. Et, donc, à l'aide de puissants outils d'imagerie à résonance magnétique, une des spécialités du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives.

L'empreinte magnétique du cerveau

Lorsqu'une personne se trouve allongée dans un scanner à IRM, son cerveau est placé au centre d'un aimant dont le champ magnétique est des dizaines de milliers de fois plus intense que celui de la Terre. Des centaines de fois par seconde, des ondes radio bousculent les noyaux d'hydrogène des molécules d'eau du cerveau, puis l'ordinateur « écoute » les ondes émises en retour.

Avec cette technologie, « le crâne devient transparent comme du cristal », explique Denis Le Bihan (2). L'ordinateur peut donc enregistrer des milliards de fois « l'empreinte magnétique » du cerveau, en trois dimensions, le temps de l'expérience. Des empreintes transformées en cartes dynamiques de l'activité cérébrale par des logiciels sophistiqués et de puissants ordinateurs. Ces cartes permettent de répondre à des questions fascinantes  :
The fibers of the white material seen by the top

Les fibres de la matière blanche vues du dessus
que se passe-t-il dans le cerveau lorsque nous regardons une image, effectuons des additions, pensons à tel objet ou telle personne ou même lorsqu'un pianiste se remémore les gestes d'un morceau de Bartok ?

Mais les régions activées n'apparaissent qu'en comparaison de l'image d'un cerveau « type » et « au repos » vu par IRM. Les scientifiques en disposaient pour les neurones, ils l'ont maintenant aussi pour les autoroutes du cerveau. L'un des principaux auteurs de cette avancée scientifique est Denis Le Bihan, qui développe les techniques permettant d'en dresser l'atlas au début des années 90 (3). Mais ce n'est qu'en 1998 que les premières images, de seulement quelques faisceaux, purent être obtenues. « Aujourd'hui, il suffit d'un quart d'heure d'enregistrement pour dresser la carte de la matière blanche d'une personne », souligne Denis Le Bihan, tant les progrès des appareils et des logiciels ont été importants.

Relever le défi du connectome

Forts de ces techniques, les scientifiques ont décidé de relever le défi du « connectome ». Ce mot, copié sur génome et inventé en 2005, désigne le plan en 3D de toutes les connexions neuronales dans un cerveau. Une première carte des connexions du cortex a été publiée en 2008, par Plos Biology, mais elle ne constitue qu'un début. Les Etats-Unis investissent 30 millions de dollars (environ 23 millions d'euros) dans l'affaire, baptisée Human Connectome Projet.

L'atlas du projet Connect (4) a bénéficié de cent volontaires, vivants et sains, âgés de 25 à 35 ans, pour effacer les différences individuelles et en extraire un « réseau type » sur la base de leurs caractères communs.

« Après rééducation, le dyslexique voit ses fibres se réorganiser »

Le nouvel atlas est aussi précis et détaillé que si chaque millimètre carré de tissu cérébral avait été examiné avec un puissant micro­scope. Une tâche immense puisque, dépliées, les circonvolutions cérébrales ont une surface de 100 millions de millimètres carrés.

L'usage de cet outil est d'abord médical. Les médecins peuvent « se repérer, savoir de quel faisceau de fibres ils parlent car ils sont nommés et leur fonction identifiée », précise Le Bihan. Des observations ont montré que la dyslexie est reliée à des connexions mal organisées, et d'autant plus sévères si la désorganisation est grande. Cette désorganisation provoque des défauts de transmission. Or, la distinction entre « ga » et « ba » s'opère dans les premiers 20 millièmes de seconde, ce qui explique les difficultés du dyslexique. D'ailleurs, « après rééducation, le dyslexique voit ses fibres se réorganiser », explique Le Bihan. Nouvelle preuve de la plasticité du cerveau. Certaines schizophrénies semblent liées à de mauvaises connexions -  génétiques ou acquises ?  - entre les lobes frontal et temporal, ce qui expliquerait certains ­troubles auditifs (le fait d'entendre des voix) par une désynchronisation de la transmission.

Cover book Denis le Bihan Le cerveau de cristal
Livre de Denis Le Bihan

Les neuroscientifiques feront de cet atlas un outil majeur de leur exploration du cerveau. Des observations sur des pianistes ont montré que l'épaisseur de certaines autoroutes de l'information est directement liée à l'intensité de l'apprentissage. Et que la réaction du cerveau à l'exercice -  l'épaississement des fibres montrant l'intensification des connexions en jeu  - est beaucoup plus forte si l'on est plus jeune. Ainsi chez les apprentis pianistes, 3 000 heures d'exercices renforcent autant les fibres à 11 ans que 40 000 heures à 17 ans. D'autres études, chez les bébés et les jeunes enfants, montrent que le câblage de l'hémisphère gauche, en général celui utilisé pour le langage, est plus développé avant que l'enfant ne parle, même s'il n'est pas encore fonctionnel.

Déjà opérationnels, ces atlas de la «connectique» cérébrale ouvrent une autoroute pour explorer notre organe central, pour de nouvelles collaborations entre médecins, spécialistes de la psychologie et neurobiologistes.

Notes :

(1) Connect réunit douze instituts de recherche européens et israéliens. Il a reçu 2,4 millions d'euros de l'UE.
(2) Lire «le Cerveau de cristal», de Denis Le Bihan, éd. Odile Jacob, 2012.
(3) Denis Le Bihan est l'inventeur de l'IRM de diffusion (1985) et co-inventeur de l'IRM du « tenseur de diffusion ».
(4) Piloté par Cyril Poupon et Jean-François Mangin.