Les études sur le cervelet remettent en question les idées anciennes sur notre façon de penser

Après des siècles d’oubli, le cervelet est de plus en plus reconnu.

Cette illustration anatomique du cerveau humain du début du XXe siècle (vue de dessous) montre les hémisphères gauche et droit du cervelet et du cerveau. «Cérébelleux» est le mot apparenté à «cérébral» et signifie «se rapportant au cervelet ou se situant dans celui-ci». Le terme «cérébro-cérébelleux» fait généralement référence à la connectivité fonctionnelle et à l’interaction entre des régions spécifiques du cerveau et des sous-régions du cervelet.

Source: Wikipedia / domaine public

Jusqu’en 1998, la plupart des neuroscientifiques adhéraient à la notion ancienne selon laquelle le cervelet (latin pour “petit cerveau”) n’était responsable que des fonctions motrices et n’avait rien à voir avec la cognition. Avant la publication par Jeremy Schmahmann de trois journaux successifs à la fin du XXe siècle, on pensait généralement que le cervelet humain surveillait le timing et la coordination de mouvements musculaires précis , mais ne participait absolument pas à la «pensée» cérébrale ou pensées cognitives.

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Les trois articles de référence de Schmahmann sur le rôle du cervelet humain dans la cognition de la fin des années 1990 étaient les suivants: «Le système cérébrocérébelleux» (1997), «Le syndrome affectif cognitif cérébelleux» (1998) et «La dysmétrie de pensée: conséquences cliniques du dysfonctionnement cérébelleux sur la cognition». et affectent »(1998).

Grâce aux efforts de pionniers de Schmahmann et d’autres pionniers du cervelet au cours des deux dernières décennies, la conception mal informée du «cervelet», qui ne contient que des fonctions motrices, a été démystifiée. Aujourd’hui, la plupart des neuroscientifiques s’accordent pour dire qu’en plus d’un large éventail de fonctions motrices, le cervelet est également impliqué dans de multiples fonctions non motrices cognitives, émotionnelles, sociales et linguistiques. (Pour plus d’informations, voir «Da Vinci avait raison: le cervelet mérite plus de reconnaissance.»)

La publication récente de deux nouvelles études de pointe sur le cervelet continue à éclairer notre vision en constante évolution du «petit cerveau» et de la manière dont tout le cerveau fonctionne de concert pour générer des pensées et coordonner la réflexion à l’aide de boucles cortico-cérébelleuses et de cérébro. réseaux cerebelleux.

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Le premier article du Baylor College of Medicine intitulé «Une boucle cortico-cérébelleuse pour la planification motrice» a été publié le 17 octobre dans le journal Nature . Le deuxième article, rédigé par des chercheurs de l’Université de Washington à St. Louis, intitulé «Organisation spatiale et temporelle du cervelet humain individuel», a été publié le 25 octobre dans la revue Neuron .

Cet article de blog est divisé en deux parties qui explorent chacune de ces études d’octobre 2018 séparément.

Première partie: «Une boucle cortico-cérébelleuse pour la planification motrice» de Gao et al.

Cervelet (latin pour «petit cerveau») en rouge.

Source: Base de données des sciences de la vie / Wikipédia Commons

Zhenyu Gao et al. ont montré que des régions spécifiques du cervelet sont actives dans la mémoire à court terme, même lorsque le corps n’est pas en mouvement. Remarquablement, les chercheurs ont trouvé des preuves directes en utilisant un modèle murin que l’activité de la mémoire dans le cortex frontal semble dépendre de l’activité du cervelet.

Cette étude a été réalisée par un collaborateur de recherche international dirigé par l’auteur principal Nuo Li et son équipe de laboratoire du Baylor College of Medicine de Houston, au Texas, ainsi que par des neuroscientifiques du campus de recherche du Janelia Research Institute du Howard Hughes Medical Institute à Ashburn, en Virginie, et par le premier auteur Zhenyu Gao. et collègues du centre médical universitaire Erasmus de Rotterdam, aux Pays-Bas.

L’aspect le plus important de la dernière étude sur le modèle chez la souris du Nuo Li Lab est que les chercheurs ont pu se concentrer sur l’activité neuronale dans le cervelet pendant les périodes où le sujet n’avait pas bougé mais pensait à son prochain déménagement.

Cortex frontal en rouge.

Source: Base de données des sciences de la vie / Wikipédia Commons

“Nous savions que le cortex frontal et le cervelet étaient anatomiquement liés”, a déclaré Li dans un communiqué. «Nous savions également que chez l’homme, les lésions cérébelleuses causaient des problèmes de mémoire ou de planification, de sorte que les deux pouvaient être connectés. Nous avons constaté que la sortie du cervelet cible le cortex frontal et vice versa. Lorsque nous perturbons la communication entre les deux zones du cerveau, l’activité de la mémoire est perturbée. Nos résultats montrent que l’activité orchestrant un seul comportement est coordonnée par plusieurs régions du cerveau. ”

Pour effectuer cette découverte sur le fonctionnement des boucles cortico-cérébelleuses au cours de l’apprentissage moteur, les chercheurs ont formé des souris à une tâche d’apprentissage leur demandant de prendre une décision cognitive basée sur la mémoire à court terme.

Les auteurs concluent: «Chez l’homme, les lésions cérébelleuses peuvent entraîner des troubles de la planification et de la mémoire de travail. Nous montrons ici que la représentation persistante des informations dans le cortex frontal lors de la planification motrice dépend du cervelet. Nos résultats confirment l’opinion selon laquelle la dynamique neuronale persistante pendant la planification motrice est maintenue par des circuits neuronaux couvrant plusieurs régions du cerveau et que les calculs cérébelleux vont au-delà du contrôle moteur en ligne. ”

Le cervelet est un acteur central en matière de performance sportive et de sport. “Le cervelet est connu pour guider notre mouvement en apprenant des erreurs”, a expliqué Li dans un communiqué. «Lorsque nous apprenons à tirer sur un ballon de basket, nous avons d’abord beaucoup de coups manqués. Cependant, le cerveau peut ajuster nos tirs en ajustant nos mouvements en fonction des erreurs des tirs manqués et finalement produire des tirs précis. On sait que le cervelet est responsable de cet apprentissage moteur. Il combine les erreurs des mouvements manqués et le mouvement qui a été effectué pour produire un mouvement plus précis. ”

La prochaine phase de recherche de l’équipe de Li consistera à vérifier si le cervelet utilise ou non le même processus d’apprentissage «essai-erreur» activé lors de l’apprentissage moteur dans le sport pour maîtriser davantage d’activités cérébrales telles que jouer aux échecs.

Deuxième partie: «Organisation spatiale et temporelle du cervelet humain individuel» de Marek et al.

Le communiqué de presse de la Washington University School of Medicine de Saint-Louis annonçant la publication d’une nouvelle étude sur le cervelet dirigée par Scott Marek, chercheur en troisième cycle, porte un titre qui attire l’attention: «Le centre de contrôle de la qualité de l’esprit est découvert dans une région du cerveau longtemps ignorée: les examens du cervelet et corrige les pensées, le mouvement. ”

Parce que j’essaie (avec un succès limité) de mettre le cervelet souvent négligé sous les projecteurs depuis plus d’une décennie et de m’efforcer de faire de «cervelet» un mot familier, je ne pouvais pas m’empêcher de hocher la tête et de dire «Oui! C’est tout à fait vrai »à haute voix en lisant le texte de ce communiqué de presse:

«Le cervelet ne peut avoir aucun respect. Placé de façon peu commode sur la face inférieure du cerveau et censé se limiter au début à la maîtrise des mouvements, le cervelet a longtemps été traité comme une réflexion ultérieure par des chercheurs étudiant les fonctions cérébrales supérieures. Des chercheurs de l’École de médecine de l’Université de Washington à Saint-Louis affirment que négliger le cervelet est une erreur. Leurs conclusions, publiées le 25 octobre dans Neuron , suggèrent que le cervelet joue un rôle important dans tous les aspects des fonctions cérébrales supérieures – pas seulement le mouvement, mais également l’attention, la réflexion, la planification et la prise de décision. ”

Pour cette étude, les chercheurs du laboratoire Dosenbach du laboratoire WUSTL ont mesuré la synchronisation de l’activité du cerveau humain à l’aide d’une IRM à connectivité fonctionnelle et ont découvert que les signaux des systèmes sensoriels étaient traités dans des réseaux intermédiaires du cortex cérébral avant d’être envoyés au cervelet. Ces analyses du cerveau montrent notamment que le cervelet contient une organisation en réseau spécifique à chaque individu qui est significativement plus variée que dans le cortex cérébral. Comme l’expliquent les auteurs:

«Des études de traçage séminal transneuronal ont montré que les régions postérieures latérales du cervelet forment des circuits en boucle fermée avec des régions du cortex prémoteur, préfrontal et postérieur pariétal chez les macaques (Dum et Strick, 2003; Kelly et Strick, 2003; Strick et al., 2003). ., 2009), fournissant un cadre anatomique pour un rôle putatif dans les mécanismes de rétroaction adaptative pour la modification comportementale du mouvement et des processus cognitifs. Ainsi, la caractérisation du cervelet purement comme une structure motrice conservée est dépassée et inexacte (Buckner, 2013; Caligiore et al., 2017; Fiez, 1996; Leiner et al., 1989; Schmahmann, 2004; Schmahmann et al., 2009 ; Strick et al., 2009). Bien que des études antérieures aient fourni un cadre anatomique et fonctionnel pour comprendre les contributions du cervelet au fonctionnement du cerveau, le degré de spécificité individuelle dans l’organisation fonctionnelle cérébelleuse est actuellement inconnu. ”

Marek et al. On suppose que, dans le cadre d’une boucle cérébro-cérébelleuse, les signaux cérébraux subissent des contrôles de qualité finaux dans le cervelet avant d’être renvoyés au cortex cérébral pour être mis en œuvre. Les auteurs ont déclaré: “Compte tenu de la présence de boucles cortico-cérébelleuses et de leur rôle présumé dans la signalisation des erreurs et la plasticité adaptative, nous nous sommes particulièrement intéressés à l’organisation temporelle de l’activité infra-lente (ISA) entre le cervelet et le cortex cérébral.”

Les recherches de Marek ont ​​mis au jour une nouvelle statistique étonnante: seulement 20% du cervelet est uniquement consacré aux fonctions motrices; les 80% restants semblent être occupés par des régions cérébelleuses non motrices impliquées dans la cognition supérieure. “Les réseaux des fonctions exécutives sont largement surreprésentés dans le cervelet”, a déclaré Marek dans un communiqué. “Toute notre compréhension du cervelet doit cesser d’être impliquée dans le contrôle moteur pour devenir plus impliquée dans le contrôle général de la cognition à un niveau plus élevé.”

“La plus grande surprise pour moi a été la découverte que 80% du cervelet sont consacrés aux produits intelligents”, a ajouté l’auteur principal Nico Dosenbach. «Tout le monde pensait que le cervelet était une question de mouvement. Si votre cervelet est endommagé, vous ne pouvez pas vous déplacer en douceur – votre main se secoue lorsque vous essayez d’atteindre quelque chose. Nos recherches suggèrent fortement que, tout en veillant à la qualité des mouvements, le cervelet contrôle également vos pensées: les lisser, les corriger, les perfectionner.

Un aspect inattendu de cette recherche sur le cervelet est lié à la sensibilité du cervelet à l’alcool. Les chercheurs spéculent que le manque de jugement et le manque de contrôle des pulsions qui se produisent après la consommation excessive d’alcool pourraient être enracinés dans le cervelet. Tout le monde sait que le fait d’être en état d’ébriété rend les mouvements physiques des gens déconcertés, ce qui est marqué par des difficultés d’élocution et l’incapacité de marcher en ligne droite. Il est intéressant de noter que les dernières découvertes de Marek et de son équipe suggèrent que la piètre prise de décision alimentée par la consommation d’alcool peut être le reflet de la perte de capacité du cervelet de surveiller et de contrôler la qualité des fonctions exécutives.

“Beaucoup de gens qui étudient les liens entre la fonction cérébrale et le comportement ignorent tout simplement le cervelet”, a déclaré Dosenbach dans un communiqué. «Ils coupent ces données et les jettent, car ils ne savent pas quoi en faire. Mais il y a quatre fois plus de neurones dans le cervelet que dans le cortex cérébral. Si vous oubliez le cervelet, vous vous êtes déjà tiré dans le pied avant de commencer. La promesse d’imager le cerveau humain tout entier à la fois est de comprendre comment tout cela fonctionne ensemble. Vous ne pouvez pas voir comment tout le circuit fonctionne ensemble quand il vous manque un élément majeur. ”

Les auteurs concluent que «[nos] résultats suggèrent qu’une fonction générale du cervelet pourrait être la correction ultime de tous les processus moteurs et cognitifs corticaux».

La prochaine étape pour Marek et l’équipe de recherche du laboratoire de Dosenback consiste à étudier le lien de corrélation entre les différences individuelles de structure cérébelleuse et de connectivité fonctionnelle et divers types d’intelligence, de comportement, de traits de personnalité et de troubles psychiatriques.

Références

Scott Marek, Joshua S. Siegel, Evan M. Gordon, Ryan V. Raut, Dillan J. Newbold, Mario Ortega, Timothy O. Laumann, Derek B. Miller, Annie Zheng, Katherine C. Lopez, Jeffrey J. Berg, Rebecca S. Coalson, Annie L. Nguyen, Donna Dierker, Andrew N. Van, Catherine R. Hoyt, Kathleen B. McDermott, Scott A. Norris, Joshua S. Shimony, Abraham Z. Snyder, Steven M. Nelson, Deanna M. Barch, Bradley L. Schlaggar, Marcus E. Raichle, Steven E. Petersen, Deanna J. Greene et Nico UF Dosenbach. «Organisation spatiale et temporelle du cervelet humain individuel». Neuron (première publication: le 25 octobre 2018) DOI: 10.1016 / j.neuron.2018.10.010

Zhenyu Gao, Courtney Davis, Alyse M. Thomas, Michael N. Economo, Amada M. Abrego, Karel Svoboda, Chris I. De Zeeuw et Nuo Li. «Une boucle cortico-cérébelleuse pour la planification motrice» Nature (Première publication: le 17 octobre 2018) DOI: 10.1038 / s41586-018-0633-x

Jeremy D. Schmahmann et Deepak N.Pandyat. “The Cerebrocerebellar System.” Revue internationale de neurobiologie (1997) DOI: 10.1016 / S0074-7742 (08) 60346-3

Jeremy D. Schmahmann et Janet C. Sherman. «Le syndrome affectif cognitif cérébelleux». Cerveau: Un journal de neurologie (1998) DOI: 10.1093 / brain / 121.4.561

Jeremy D. Schmahmann. «Dysmetria of Pought: Conséquences cliniques de la dysfonction cérébelleuse sur la cognition et l’affect.». Tendances en sciences cognitives (1998) DOI: 10.1016 / S1364-6613 (98) 01218-2.