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Science

Célébrons les cérébraux

(J'ai eu le plaisir de participer de nouveau à la rédaction du script d'une vidéo parue sur la chaine de Benjamin Brillaud, Nota Bene [previously], parue pour la Semaine du Cerveau dans le cadre d'un partenariat avec le CEA. Pour vous en dévoiler les coulisses, voici la première version du script avant le travail de relecture de Philippe Vernier et celui de synthèse et de reformulation par Jean de Boisséson)

À priori, si on vous montre cet émoji...

Emoji Cerveau


... vous avez reconnu que c’était un cerveau. Mais depuis quand est-ce qu’on sait à quoi ça ressemble ? Et d’ailleurs, est-ce que c’est exactement ça, la forme d’un cerveau ? Dans cette vidéo, nous allons retracer l’historique de l’image de l’organe de la pensée. En d’autres termes comment on est passé de ça :

Illustration d'un manuscrit de Salerne, 1250
... à ça :

Les différentes couches du cerveau
Représentation de 38 faisceaux longs de la substance blanche cérébrale (chaque couleur code 1 faisceau) obtenus en IRM de diffusion ©CEA/Neurospin
Superposition d'images anatomiques (IRM en gris) et fonctionnelles (TEP en couleurs). © P. Stroppa/CEA


Partie 1 : Le Cerveau c’est quoi ?
Un peu de Biologie pour commencer et plus particulièrement de l’anatomie comparée. Si on veut reconstituer l’apparence d’un cerveau humain en regardant à quoi ressemble celui des autres animaux, il faut bien choisir parce que c’est très différent chez une multitude d’espèces. Réseau dispersé chez les méduses, anneau chez les étoiles de mer, gros ganglions en forme de champignon chez les insectes, gros lobes protégés par du cartilage chez les poulpes…


Ce n’est que chez les autres vertébrés que la comparaison avec le cerveau humain va véritablement être pertinente, car ce sont les seuls à posséder un tube nerveux. En effet, et ne le prenez pas mal, mais chez les humains, et de manière plus générale les vertébrés, le cerveau est une sorte de grosse boursouflure au bout d’un tube. Un peu comme les ballons de fêtes foraines. L’émergence des vertébrés s’est effectivement accompagnée d’une expansion considérable de la partie la plus en avant du tube. Ce ballonnement prend le nom d’encéphale et s’est accompagné de la formation du crâne (qui est une des particularités de tous les vertébrés).

Schéma de coupe de SNCDéveloppement embryonnaire du Cerveau


Le cerveau fait en effet partie de ce qu’on appelle le Système Nerveux Central qui est composé d’une longue moelle épinière creuse et protégée par les vertèbres et qui se termine par une série de cavités entourées de tissu nerveux plissé et enfermé dans un crâne osseux. Les cavités et le canal de la moelle sont remplis d’un liquide surnommé cérébro-spinal. Donc quand on représente le cerveau, ce n’est qu’une partie du Système Nerveux Central et on oublie de représenter la moelle et les vésicules optiques, mais aussi le reste du système nerveux dit périphérique.

Ensemble du système nerveux humain


Maintenant que vous savez mieux à quoi il ressemble, voyons comment nos aïeux se sont débrouillés pour représenter le cerveau.

Partie 2 : Image du cerveau, de la préhistoire à la neuroscience
La plupart des préhistoriens pensent que certains humains de l’époque devaient avoir une petite idée de ce à quoi pouvait ressembler un cerveau.  Comment ? Et bien via la pratique de l’anthropophagie et de la trépanation ! Et oui, si on passe un bon moment à faire un trou dans le crâne, soit pour grailler, soit pour soigner un camarade, y’a fort à parier qu’on va jeter un coup d'œil pour voir ce qu’il se cache sous la caboche.


Et si les vertus médicales de la trépanation vous semblent… discutables, sachez déjà que les traces de guérison osseuse attestent de la survie des patientes et patients ayant subi ces opérations, dont la plupart ont été réalisées au silex ! Et d’autre part il faut rappeler que cette pratique a continué d’exister à travers le monde et persiste encore de nos jours pour traiter des hématomes cérébraux.

Crâne trépané de Nogent les viergesP4140363, Crâne de jeune fille trépanée au silex, Néolithique (3500 av. J.-C.) ; la patiente a survécu.Trépanations Incas vers 1300


Cependant on a aujourd’hui aucun témoignage pictural (statuette, peinture rupestre, etc.) ressemblant à un cerveau humain.  Il faut attendre l’écriture et donc le commencement de l’histoire pour que les premières descriptions de cet organe voient le jour, et notamment sous forme d’hiéroglyphes. En effet, dans le célèbre papyrus Edwin Smith âgé de 1500 ans avant notre ère, et considéré comme le plus vieux traité chirurgical jamais découvert, on peut y lire les symboles suivants...

hiéroglyphes signifiant cerveau dans le papyrus Edwin Smith
... qui pourraient se traduire comme “moelle du crâne”.
Ce papyrus répertorie 48 cas de blessures de guerre traumatiques et l’un des cas décrit un blessé au crâne ouvert qui ressent des pulsations et palpitations quand des doigts lui tâtent la surface d’un cerveau exposé à l’air libre. Et quand l’auteur assiste à un arrachement de la boîte crânienne, il détaille son apparence en évoquant des «rides semblables à celles qui se forment sur le cuivre en fusion». Cependant, le cerveau n’est pas un organe crucial pour les égyptiens qui prêtent plutôt au cœur l’honneur d’accueillir l’âme. D’ailleurs, lors des préparations des momies, le cerveau est retiré sans cérémonie, aspiré et retiré à la cuiller depuis le nez, et il ne finit même pas dans les vases canopes. Les choses ne vont pas vraiment s’arranger durant l’antiquité, notamment chez les grecs. La plupart pratique des dissections, notamment à l’aide de trépans, et on va gagner en précision, avec la description des deux hémisphères, des méninges, des racines nerveuses, etc. Mais un débat va opposer ceux qui comme Alcméon de Crotone ou Hippocrate de Cos sont cerebrocentristes (c’est à dire qui considèrent que le cerveau est l’organe central de la pensée) et ceux qui rejoignent l’avis d’Aristote, cardiocentriste, qui ne voient dans cet organe froid et humide, qu’un circuit de refroidissement de l’organisme pour baisser la température sanguine et entraîner le sommeil. Le cardiocentrisme a triomphé et la doctrine d’Aristote n’a pu être sérieusement remise en question qu’au moment de la Renaissance. On peut noter cependant la rébellion de Claude Galien de Pergame, médecin grec ayant soigné plusieurs empereurs romains. Après avoir étudié les lésions de plusieurs gladiateurs, il est convaincu du rôle primordial du cerveau dans la pensée et imagine que les nerfs sont des tubes creux dans lesquels circule une sorte de fluide, le pneuma psychique, qui navigue notamment dans les ventricules de l’encéphale. Le moyen-âge n’apportera que très peu de progrès en anatomie, notamment par l’interdit de l’église concernant les dissections. Mais à vrai dire, les raisons pour lesquelles on ne pratiquait plus l’étude des cadavres étaient diverses : religieuse mais aussi philosophique, technique, éthique et prophylactique. En gros, on ne pensait pas que les dissections étaient utiles, on savait pas bien faire, on considérait que c’était un sacrilège et surtout on risquait des infections mortelles. Les rares infractions à ces règles permettaient de constater que le cerveau avait l’apparence de tripes, et confirmaient l’opinion qu’il ne pouvait en aucun cas servir à contenir l’entendement humain. On peut cependant noter que certains savants comme Némésius, évêque syrien d’Emèse, et St Augustin (354-430) ont réhabilités certaines idées de Galien, notamment en conférant aux ventricules du cerveau les rôles de gestion de l’imagination, de la raison et de la mémoire.

Représentations graphiques des ventricules cérébraux.
Magnus Hundt. Les trois cellules d'Avicenne et les nerfs crâniens. Anthropologicum de hominis 1501 (BIUM, Paris, 5586).
Le moment où vraiment les représentations du cerveau commencent à ressembler à quelque chose de reconnaissable, c’est à la Renaissance, notamment à travers les dessins d’un certain Léonard de Vinci qui semble avoir pratiqué des dissections clandestines.

Vue des ventricules cérébraux et des nerfs crâniens d'une tête humaine. Le dessin de gauche représente l'appareil reproducteur masculin. Schlossmuseum, Weimar, Allemagne.Études de la tête, du cerveau et des nerfs crâniens par Léonard (vers 1493)
Il fournit même des instructions sur la manière dont il a réalisé des injections de cire chaude pour réaliser des moulages des structures internes du cerveau : les ventricules. Des protocoles qu’on peut suivre encore aujourd’hui avec succès (comme ici pour ce moulage interne de cerveau de vache).

Injections de cire dans le cerveau pour déterminer la taille et la forme des ventricules cérébraux. (B) Moulage en cire des ventricules d'un cerveau de vache.
Mais Léonard ne publie pas ses dessins et, de fait, ses œuvres n’ont été découvertes qu’à titre posthume. C’est donc André Vésale qui aura le véritable mérite de révéler au monde l’apparence du cerveau grâce à son De humani corporis fabrica (publié en 1543), un pavé anatomique de 700 pages, illustré par 323 planches dessinées par Jan-Stefan von Calcar.

De humani corporis fabrica
Ces splendides planches corrigeront les erreurs de Galien qui avait extrapolé des dissections réalisées sur des singes. Mais pour les réaliser, Vésale n’hésita pas à aller se faufiler dans des cimetières ou sur des gibets pour obtenir des cadavres qu’il devait déterrer ou disputer aux oiseaux de proie…

Planche de l'Epitome de Vésale
Le cerveau, star de la neuroscience
Mais le cerveau, ce n’est pas juste un amas gélatineux et plissé avec des couches comme un oignon ! C’est une structure composé de milliards de cellules, découverte qu’on doit notamment à l’invention du microscope vers 1590 :

Microscope de Jaansen
puis de son amélioration et de sa popularisation à partir de 1674 par Antonie van Leeuwenhoek, un drapier hollandais.

Microscope de Leeuwenhoek
Grâce à ce fantastique outil, une discipline entière va émerger : l’étude des tissus cellulaires, ou histologie. Seulement voilà, pour faire de belles observations, il vaut mieux faire attention à ses échantillons et son instrumentation. Ainsi, on sait aujourd’hui que les descriptions de globules et glandes dans les tranches de cerveaux réalisées par l’italien Marcello Malpighi en 1666, étaient des artefacts liés à la piètre qualité de son microscope, mais surtout parce qu’il faisait bouillir les cervelles avant de les disséquer…

"Globules" du cerveau d'après description de Malpighi (Bidloo G. Anatomia humani corporis, 1685
C’est avec l’invention près de deux siècles plus tard d’un autre italien, Camillo Golgi, que l’histologie du cerveau réalisera un bond en avant sans précédent. Il confectionne une coloration des tissus qu’il surnomme la réaction noire et qui consiste en la fixation de particules de chromate d'argent. Dans le cerveau, et en partie la couche superficielle qui forme son “écorce” ou cortex cérébral, cela révèle l’existence de cellules à l’apparence très singulières que Golgi aura du mal à caractériser, notamment en imaginant qu’elles forment un réseau continu.

Figure montrant l'image microscopique d'un hippocampe coloré avec la technique de réaction noire ou de coloration de Golgi. Plaque histologique préparée par Golgi lui-même.Figure montrant des cellules nerveuses colorées par la réaction noire ou la technique de coloration de Golgi. Plaque histologique préparée par Golgi lui-même.
C’est au final l’espagnol Santiago Ramón y Cajal qui, en améliorant la technique de Golgi, identifiera l’unité cellulaire du système nerveux : le neurone.

Dessins de Santiago Ramón y Cajal représentant des neurones de cervelet colorés à la réaction noire
Golgi et Cajal recevront d’ailleurs tous deux un prix Nobel en 1906 pour récompenser leurs contributions respectives.  Parallèlement à ces avancées à l’échelle microscopique, le cortex cérébral est étudié d’une toute autre manière, en essayant de faire correspondre des formes, lésions ou malformations avec des tempéraments ou des troubles. Cela commence par les études du médecin anatomiste Franz Joseph Gall qui s’intéresse aux bosses apparaissant sur le crâne des individus auquel il fait correspondre 27 facultés psychiques, allant du penchant au vol à la mémoire des personnes en passant par le talent poétique : c’est la naissance de la phrénologie (du grec étude de l’esprit, pseudo-science aujourd’hui largement invalidée). Son héritage est mitigé, avec quelques idées prometteuses concernant l’organisation du cerveau en régions, beaucoup d’idées délétères, racistes et discriminantes, et des vestiges qu’on retrouve encore aujourd’hui dans nos expressions comme avoir la “bosse des maths”.

Carte de facultés phrénologiques
La régionalisation du cerveau gagne du crédit après les travaux de Paul Broca qui a caractérisé une lésion très spécifique chez un patient atteint d’aphasie et uniquement capable de prononcer les mots “tan” et “nom de dieu!”. Cette région cérébrale, connue aujourd’hui comme l'aire de Broca, est une zone responsable du traitement du langage, notamment de sa production.

L’étude du cerveau entrera véritablement dans l’ère moderne avec l’exploitation de nouvelles techniques d’imagerie chez des individus sains, à commencer par l’utilisation des rayons X. 

Partie 3 : Cerveau et imagerie moderne 
Pour vous montrer les progrès de l’imagerie cérébrale, je vais vous dévoiler ce qu’on fait aujourd’hui de mieux à l’aide du projet Iseult, un IRM surpuissant conçu par les ingénieurs et les chercheurs du CEA :


Bon malheureusement, ce n’est pas un cerveau qu’on voit ici mais… un potimarron

Potimarron passé dans l'IRM Iseult
Ce sont en effet les images obtenus après les premiers tests de l’IRM du projet Iseult qui utilise des matériaux supraconducteurs refroidis à l’hélium liquide et qui exploite un aimant de 11,7 teslas (à titre de comparaison, un aimant de frigo possède une intensité de 0,01 tesla). 
C’est à partir des années 1970 qu’émerge l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Basée sur le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), l’IRM utilise des champs magnétiques produits par de puissants aimants et révèle les détails anatomiques des tissus mous : muscles, viscères et bien sûr le cerveau.  C’est d’ailleurs une méthode particulière d’IRM dite de diffusion qui a permis d’obtenir cette fantastique visualisation de faisceaux de fibres nerveuses.

Représentation de 38 faisceaux longs de la substance blanche cérébrale (chaque couleur code 1 faisceau) obtenus en IRM de diffusion ©CEA/Neurospin
Pour étudier le contenu du crâne, l’IRM a progressivement remplacé le scanner à rayons X qui permet aussi un examen en coupes (examen en tomodensitométrie) mais qui est moins performant qu’une IRM. On le réserve donc aujourd’hui aux personnes pour qui l’IRM est contre-indiqué comme ceux qui portent des pace-makers. 
Obtenir des images du cerveau, c’est utile d’un point de vue anatomique, mais il ne faut pas oublier que c’est un organe fonctionnel qui pompe du sang, consomme de l’énergie et qui est composé de milliards de neurones à l’activité électrique dynamique.  
Et ce sont d’autres techniques, comme l’IRM fonctionnelle, qui vont permettre de visualiser l'activité cérébrale. Basée sur des variations d’influx sanguins en fonction de l’activité de certaines régions du cerveau, elle permet de déduire quelles sont les parties cérébrales stimulées. On peut même utiliser des ultrasons pour révéler la vascularisation du cerveau et son activité, à une échelle microscopique !


On peut aussi enregistrer directement l’activité des neurones à travers la détection des très faibles courants électriques qu’ils génèrent, en utilisant les méthodes d’électroencéphalographie (ou EEG). C’est malheureusement très compliqué de faire ces mesures et niveau swag, on repassera :  

EEG
De la même manière, les courants électriques parcourant les neurones peuvent générer des variations de champs magnétiques, exploités par la technique de la Magnétoencéphalographie (ou MEG).
Et enfin, en utilisant des éléments radioactifs à faible durée de vie on peut suivre la consommation en glucose des cellules du corps à l’aide de la Tomographie par émission de positons (TEP).

TEP
On est donc aujourd’hui capable non seulement de révéler les particularités microscopiques de l'architecture cérébrale, mais aussi de sonder le fonctionnement du cerveau sur des individus vivants, prouesse que nous auraient longtemps enviée les savants des siècles précédents. 

Conclusion :
Mais aussi impressionnantes que soient ces nouvelles techniques d’imagerie, elles ont bénéficié de l’influence des travaux des premiers histologistes comme Golgi et Ramon y Cajal, des physiologistes et des anatomistes et enfin de tous ceux qui se sont demandés ce qui pouvait bien se cacher sous notre caboche.

Liens : 

L'histoire du cerveau - Minisode – Super Spécialiste
Notre cerveau a-t-il une histoire ? • Podcast • La Piqûre de Rappel
Consuming Passions: Reviewing the Evidence for Cannibalism within the Prehistoric Archaeological Record

Histoire de la connaissance du cerveau — Wikipédia
History of neuroscience - Wikipedia
History of neuroimaging - Wikipedia
Understanding the brain: a brief history
A brief history of the brain | New Scientist
A History of the Brain

CEA
Découvrir & Comprendre - Le cerveau
Découvrir & Comprendre - L'imagerie médicale

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