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Pour commencer à éclaircir le mystère du cerveau, il importe, comme nous l’avons fait dans les deux parties précédentes, de repartir des origines. Le cerveau est un organe qui a évolué pendant des millions d’années. C’est en quelque sorte le point culminant de l’évolution du système nerveux. Plus la recherche avance, en particulier en psychologie et en neurosciences, et mieux on comprend cet organe complexe, à la fois si familier et si mystérieux. Bien sûr, à certains égards, l’énigme reste complète. En aucun cas cet article ni les suivants ne pourront prétendre à expliquer tous les méandres de l’âme humaine. Toutefois, comme nous le verrons, il est déjà possible d’aller très loin dans ce que l’on pourrait appeler la «démystification de l’esprit».
Histoire évolutive du système nerveux. Le système nerveux est apparu il y quelque 600 millions d’années. Le système nerveux primitif n’impliquait pas encore de cerveau. Il s’agissait sans doute d’une structure très simple (un réseau diffus, non centralisé), que l’on retrouve encore chez certains animaux actuels, tels que les méduses. Certains mécanismes fondamentaux, en particulier la transmission par influx nerveux, étaient même probablement présents sous une forme primitive chez certains animaux plus simples encore.
Plus lointainement encore, y compris chez des animaux unicellulaires comme les bactéries, on peut retrouver des traces de certaines fonctions-clés du système nerveux. Très tôt dans l’évolution, les organismes qui pouvaient percevoir des ressources et s’en rapprocher (ou percevoir des menaces et s’en éloigner) avaient naturellement un avantage sélectif énorme. La perception et la motricité primitives remontent donc quasiment à l’origine de l’émergence de la vie, il y a 4 milliards d’années.
La perception et la motricité sont deux fonctions essentielles à tous les animaux
Chez les animaux multicellulaires, le système nerveux constitue l’aboutissement de centaines de millions d’années d’évolution au cours desquelles la perception et la motricité ont été de plus en élaborées. D’autres fonctions plus sophistiquées, comme la cognition ou les émotions, ne sont finalement que des raffinements supplémentaires de ces bases fondamentales: percevoir l’environnement et s’y mouvoir, afin d’augmenter ses chances de survie et de reproduction, en s’approchant des opportunités et en évitant les dangers.
Étant donné cette base commune, on retrouve inévitablement au travers du règne animal de très nombreuses similitudes dans la structure du système nerveux de différents organismes, dont l’apparence extérieure est parfois pourtant très différente. Par exemple, chez tous les animaux dits «bilatériens» (c’est-à-dire avec une structure bilatérale symétrique), on retrouve une structure segmentaire, formée d’éléments étagés, tels que représentés sur la figure ci-dessous.
Structure segmentaire du système nerveux chez la sangsue (à gauche) et chez l’humain (à droite)
Chez de nombreux animaux, un processus supplémentaire a eu lieu il y a environ 500 millions d’années: la céphalisation. Il s’agit du regroupement, à l’extrémité avant de l’animal, de la bouche, des organes sensoriels et des centres nerveux; un regroupement qui donne lieu à ce qu’on appelle communément la tête. Ce processus conduit à la formation d’un cerveau dans trois groupes d’animaux: les arthropodes (insectes et araignées), les mollusques céphalopodes (en particulier les pieuvres) et les vertébrés (poissons, reptiles, amphibiens, oiseaux, mammifères). La céphalisation est très marquée chez les mammifères, et tout particulièrement chez l’humain.
Structure du système nerveux. Le système nerveux est composé de neurones, qui sont des cellules spécialisées. Il s’agit de cellules dites excitables, capables de transmettre un signal par une voie électrique. C’est le potentiel d’action qui est à la base de l’influx nerveux (figure ci-dessous) et qui permet de transformer toutes sortes de stimulations en signal électrique. Ce signal électrique est un des mécanismes fondamentaux qui permet la communication entre les cellules. Une seconde voie majeure de communication est basée sur des messagers chimiques, par le biais d’hormones et de neurotransmetteurs.
Le déplacement d’un potentiel d’action le long de la fibre nerveuse (axone) modifie la polarité de la membrane cellulaire
Les jonctions entre neurones sont assurées par les synapses; chaque neurone comporte plusieurs milliers de synapses (jusqu’à 10’000). Le moindre réseau de quelques neurones constitue ainsi un circuit très complexe. Or, chez l’humain, le cerveau comporte près de 100 milliards de neurones. De plus, le cerveau comporte encore d’autres types de cellules, en particulier les cellules gliales, qui jouent un rôle de soutien et de protection du tissu nerveux formé par les neurones.
Le cerveau: 100 milliards de neurones et des millions de milliards de connexions
Les neurones sont composés de trois parties principales: le corps cellulaire, le lieu des fonctions vitales du neurone; l’axone, qui permet de transmettre un signal; et les dendrites, qui permettent de recevoir des signaux en provenance d’autres neurones. Il existe de nombreux types de neurones, en particulier dans le cerveau, mais on peut schématiquement en distinguer trois types.
- Les neurones sensoriels, qui sont répondent aux stimulations sensorielles de l’environnement; ces neurones sont sensibles à toutes sortes d’informations chimiques ou physiques (son, lumière, odeur, pression, etc.); ce sont eux qui sont à l’origine de nos perceptions.
- Les neurones moteurs, qui transmettent des impulsions aux muscles et commandent toutes sortes de mouvement volontaires ou automatiques; certains partent du cerveau et transitent par la moelle épinière, d’autre partent directement de la moelle épinière.
- Les interneurones, sont les très nombreux neurones qui peuvent se situer entre les neurones sensoriels et les neurones moteurs; ils peuvent également communiquer entre eux, formant ainsi des circuits qui peuvent être d’une complexité phénoménale.
Voilà donc en quelques lignes la «base conceptuelle» du système nerveux: il s’agit d’un système qui permet de percevoir et de bouger, basé sur (1) des organes sensoriels et des neurones du même nom, (2) des muscles et des neurones moteurs, et (3) tout un tas de circuits intermédiaires chargés de la coordination entre les deux et d’un traitement plus ou moins sophistiqué de toutes sortes d’informations.
À partir de là, d’innombrables détails et précisions pourraient être abordés; les ouvrages dédiés à l’étude du système nerveux, de la biochimie à l’anatomie en passant par la physiologie, se comptent par millions. La complexité du système nerveux et en particulier du cerveau est tout simplement abyssale. Toutefois, pour nos besoins ici, nous allons faire court et nous concentrer sur quelques distinctions fondamentales.
Une première distinction élémentaire est celle entre le système nerveux central et le système nerveux périphérique. Le système nerveux central est la partie du système nerveux qui est constitué essentiellement par l’encéphale (le cerveau) et la moelle épinière. Il se situe à l’intérieur du crâne et des vertèbres; il est protégé par diverses membranes. Nous reviendrons en détail sur le cerveau un peu plus loin.
Système nerveux central (SNC) et système nerveux périphérique (SNP)
Le système nerveux périphérique est composé de deux parties. La partie somatique est constituée de neurones moteurs et de neurones sensitifs, responsables de la perception ainsi que des mouvements volontaires et de la position du corps; il est constitué de fibres nerveuses connectées au système nerveux central. La partie autonome agit quant à elle en grande partie de manière inconsciente, sans contrôle volontaire. Elle permet la régulation des fonctions corporelles telles que le rythme cardiaque, la digestion, ou la fréquence respiratoire. Le système nerveux autonome est également connecté au système nerveux central.
Ces premières distinctions très élémentaires nous permettent d’ores et déjà de souligner un point important: il existe un très grand nombre de fonctions qui ne sont pas soumises au contrôle volontaire. Tout d’abord toutes les fonctions dites végétatives, dont la régulation est assurée par le système nerveux autonome. Mais il en est de même pour une bonne partie de l’activité du système nerveux central. En effet, la majorité du traitement de l’information réalisé par le cerveau se situe également en dehors du contrôle volontaire et même en dehors du champ de la conscience.
Bases anatomiques du cerveau humain. Le cerveau est une masse de matière organique très structurée. On peut aborder son organisation sous différents angles, par exemple en distinguant les structures les plus récentes, qui se situent plutôt vers la partie extérieure, et les structure les plus primitives, qui se situent plutôt en profondeur. Lors de notre histoire évolutive, les fonctions sophistiquées se sont en effet ajoutées aux fonctions basiques sans les remplacer.
L’organisation du cerveau reflète notre histoire évolutive
Le cerveau présente également une grande modularité. L’idée de base est que chaque aptitude est associée à une région du cerveau. Certaines régions ont des fonctions très spécialisées (par ex. le traitement d’un signal perceptif spécifique) et d’autre plus générales (association ou intégration de signaux). Comme nous le verrons un peu plus loin, certaines lésions cérébrales peuvent donner lieu à des troubles qui sont parfois étonnants.
Mais voyons tout d’abord à quoi ressemble, dans les très grandes lignes, les principales structures anatomiques qui composent le cerveau. La région la plus primitive, apparue il y a quelques 500 millions d’années, comprend le cervelet et le tronc cérébral. Le cervelet joue un rôle central dans le contrôle moteur; il contribue en particulier à la coordination, la synchronisation et la précision des mouvements. Le tronc cérébral joue quant à lui un rôle critique dans la régulation des fonctions végétatives (respiration, température, fréquence cardiaque, faim et soif, etc.); il est notamment en lien étroit avec le système nerveux autonome.
Représentation schématique des principales régions du cerveau
Le système limbique est une région plus récente, apparue il y a environ 250 millions d’années. Ce système comporte différentes structures impliquées dans le traitement des émotions, la mémoire et la motivation, ainsi que l’intégration d’informations en provenance de différentes régions du cerveau. Par exemple, le thalamus est impliqué dans l’échange et l’intégration des informations motrices et perceptives; il joue également un rôle dans la régulation du sommeil et de la vigilance. L’hypothalamus quant à lui fait le lien entre le système nerveux et le système endocrinien; il est impliqué en outre dans la régulation de la température corporelle, l’appétit et les habitudes de sommeil. L’hypophyse, qui est en lien étroit avec l’hypothalamus, est surtout responsable de la production d’hormones, dont certaines vont stimuler en cascades d’autres glandes endocrines.
Enfin, le cortex est la structure la plus récente, apparue il y a environ 200 millions d’années. Il est à l’origine des fonctions cognitives dites de haut-niveau (attention, planification, raisonnement, etc.). Le cortex, représente 80% du cerveau chez l’humain. D’un point de vue anatomique général, le cerveau est symétrique et organisé en deux hémisphères (gauche et droite), reliée entre elles par une structure appelée le corps calleux. D’un point de vue fonctionnel, les deux hémisphères ne sont toutefois pas totalement identiques. Ceci est surtout vrai pour le cortex, ne serait-ce que parce que l’hémisphère gauche gère la perception et la motricité du côté droit du corps, et inversement.
Plus spécifiquement, le cortex est organisé en différentes aires cérébrales, qui ont chacune une spécialisation fonctionnelle. Certaines aires ne sont présentes que d’un côté. L’aire du langage, par exemple, est présente dans l’hémisphère gauche chez la plupart des gens. D’une manière générale, on retrouve des aires cérébrales associés à la perception (aire visuelle, aire auditive, etc.), des aires associées à la motricité, ainsi que des aires spécialisées dans les fonctions cognitives de haut-niveau, telle que l’aire préfrontale. Cette dernière est la plus récente d’un point de vue évolutif; c’est également celle qui se développe le plus tardivement, n’arrivant à maturité qu’au début de l’âge adulte.
Les principales aires cérébrales
Une autre caractéristique importante du cortex est que les surfaces allouées à différentes fonctions sont proportionnelles à la complexité du traitement que ces fonctions impliquent. Par exemple les aires visuelles et auditives sont beaucoup plus grandes que l’aire gustative, car nous sommes des animaux qui traitons les signaux visuels et auditifs d’une façon beaucoup plus approfondie et sophistiqués que les signaux olfactifs ou gustatifs.
Cette logique «plus c’est complexe, plus il faut de cortex» se retrouve également à l’intérieur de certaines aires. Les exemples les plus frappants se situent au niveau de l’aire motrice, qui commande les mouvements du corps, et au niveau de l’aire somatosensorielle, qui reçoit des informations provenant de la surface du corps. Une représentation classique (figure ci-dessous) montre les différentes parties du corps avec des proportions qui correspondent à la surface de cortex dédié à ces différentes parties. Les mains et le visage, en particulier, apparaissent très grands, car une très grande surface du cortex leur est dédiée, bien plus par exemple qu’aux jambes ou au tronc.
Homoncule moteur et homoncule somatosensoriel. Les parties du corps sont proportionnelles à la surface de cortex qui leur est dédiés.
Liens entre corps, cerveau et environnement. En arrière-plan des éléments discutés jusqu’ici se trouve une conclusion importante: il existe des liens extrêmement étroits entre le cerveau, le corps et l’environnement. En effet, les fonctions premières du système nerveux sont la régulation des fonctions vitales de l’organisme, ainsi que la perception et la motricité, permettant d’interagir avec l’environnement. Si ce constat peut sembler d’une affligeante banalité, ses implications sont en fait très nombreuses, et certaines d’entre elles n’ont été comprises qu’assez récemment.
Entre corps et cerveau, les échanges et la communication vont dans les deux sens. Certaines parties du cerveau (l’hypothalamus et l’hypophyse, par exemple) sont en lien étroit avec le système endocrinien et donc avec la production d’hormones aux rôles aussi fondamentales que variés. À l’inverse, de nombreuses hormones et neurotransmetteurs (les messagers chimiques utilisés par le cerveau) sont produits ailleurs que dans le cerveau, en particulier par l’intestin. D’une manière plus générale, les relations entre système nerveux, système endocrinien et système immunitaires sont extrêmement nombreuses et complexes.
Ceci est particulièrement manifeste dans le cadre des réactions au stress. Un évènement extérieur peut déclencher une réaction de stress. Mais un évènement intérieur, par exemple penser à une situation anxiogène, peut tout aussi bien déclencher une réaction de stress. Ces réactions au stress sont ensuite gérées par des circuits qui parcourent le corps entier. Les réponses associées au stress ont également des répercussions sur le corps entier, non seulement sur le cerveau (et par extension évidemment sur la vie mentale et la perception de l’environnement), mais aussi ailleurs dans le corps, en particulier sur le système digestif, le système endocrinien et le système immunitaire.
Corps, cerveau, environnement: trois concepts indissociables
En définitive, le cerveau est une interface complexe entre le corps et l’environnement. La portée de ce constat est immense. Certaines implications sont très concrètes, par exemple pour tout ce qui concerne la compréhension des causes et conséquences du stress, comme évoqué ci-dessus. D’autres implications se situent à un niveau beaucoup plus abstrait et philosophique; elles se cristallisent en particulier autour de l’éternelle distinction entre la «réalité objective» du monde extérieur et la «réalité subjective» de notre vie intérieure, construite par nos sens et notre cerveau.
Dans les prochains articles, nous continuerons à explorer différentes facettes de ces nombreuses interactions entre corps, cerveau et environnement. Comme nous le verrons, cette approche très «interactionniste» permet une meilleure compréhension de nombreux phénomènes, de la perception à la personnalité en passant par l’intelligence et les émotions. Ceci nous permettra également d’arriver le mieux préparé possible pour aborder, à la fin de cette partie III, les «questions ultimes» sur l’esprit et la conscience.
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