Les neuroscientifiques déchiffrent le mystère des mouvements oculaires rapides

Source: Léonard de Vinci / Domaine Public

En 1504, Leonardo da Vinci a fait des moulages de cire du cerveau et a inventé le terme "cervelet" qui est latin pour "petit cerveau." Une étude révolutionnaire publiée aujourd'hui rapporte que les cellules de Purkinje dans le cervelet sont responsables de contrôler l'exécution précise des yeux rapides mouvements. Par coïncidence, da Vinci a également peint la Joconde , qui est mondialement connue pour avoir l'air d'avoir des yeux errants qui suivent les spectateurs autour du Louvre.

Mon père, Richard M. Bergland, était neurochirurgien, neuroscientifique, joueur de tennis de rang national et auteur de The Fabric of Mind (Viking). Mon père était obsédé par les cellules de Purkinje et le cervelet. Il m'a transmis cette obsession.

En 2007, mon père est décédé subitement d'une crise cardiaque laissant sa quête pour trouver un certain type de «Saint-Graal» en neurosciences incomplètes. J'ai fait le vœu lors de ses funérailles de reprendre le flambeau et d'essayer de trouver des réponses à ses hypothèses sur les cellules de Purkinje et le cervelet. Chaque matin, je me réveille en espérant qu'il y aura de nouvelles recherches qui aideront à déchiffrer les mystères du cervelet. Inutile de dire que j'ai été ravi de lire la nouvelle étude sur les mouvements oculaires et les cellules de Purkinje publiée ce matin.

Cellules de Purkinje dans le contrôle du cervelet Mouvements oculaires rapides

Illustration de cellules de Purkinje par Ramón y Cajal.

Source: Ramón y Cajal / Domaine Public

L'étude d'octobre 2015, intitulée «Encodage de l'action par les cellules de Purkinje du cervelet», a été publiée dans la revue Nature . Les chercheurs ont découvert que l'activité neuronale combinée de deux types apparemment opposés de cellules de Purkinje dans le cervelet du cerveau semble contrôler les mouvements oculaires rapides appelés saccades.

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Dans un résumé des résultats, les éditeurs décrivent cette étude en disant, "Les cellules de Purkinje sont des neurones inhibiteurs dans le cervelet avec un rôle central dans la coordination de la fonction motrice de l'organisme. On a longtemps pensé qu'ils encodaient des saccades de mouvements oculaires, mais on ne savait pas comment cela était réalisé.

Enregistrement à partir de cellules de Purkinje chez des singes, David Herzfeld et al. ont trouvé que les réponses combinées simples des pics de Purkinje en éclatement et en pause, mais pas les populations seules, prédisaient la vitesse en temps réel de la saccade. De plus, lorsque les cellules de Purkinje étaient organisées en fonction de leur champ de pic complexe, les réponses de la population codaient à la fois la vitesse et la direction via un champ de gain. "

Les cellules de Purkinje portent le nom de Johannes Purkinje, qui a identifié ces neurones pour la première fois en 1837. Le Dr Purkinje a également été le premier à identifier l'individualité de l'empreinte humaine. Parmi de nombreuses autres fonctions, les cellules de Purkinje sont responsables de la communication des informations motrices sensorielles du cervelet au cortex cérébral.

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Le cervelet est une puissance primordiale

Le cervelet (rouge) ne représente que 10% du volume cérébral mais abrite plus de 50% des neurones totaux du cerveau.

Source: Base de données Wikimedia / Life Sciences

Le cervelet est l'une de nos plus anciennes régions cérébrales. Du point de vue de l'évolution, la capacité de se concentrer sur une cible et de focaliser son regard de chasseur était nécessaire pour tuer une proie. Le cervelet est une région cérébrale primitive et intuitive sur laquelle nous nous sommes appuyés pour cibler une proie en mouvement avec un arc et une flèche, ou une lance.

Au cours des millénaires, les deux hémisphères du cervelet ont évolué pour fonctionner de manière transparente avec les deux hémisphères du cerveau pour créer un pic de performance humaine. D'un point de vue athlétique, le cervelet permet de courir simultanément tout en bloquant les yeux sur une cible en mouvement. Le cervelet est la zone principale du cerveau associée à la coordination œil-main utilisée pour attraper une balle de baseball, frapper une balle de tennis, tirer une rondelle de hockey, etc.

Diagramme du réflexe vestibulaire-oculaire (VOR)

Source: Wikimedia / Creative Commons

Lorsque vous déplacez la direction de votre regard, vos mouvements de la tête et des yeux sont automatiquement coordonnés entre eux par le réflexe vestibulo-oculaire (VOR) qui fait partie du système vestibulaire relié au cervelet. Le VOR est un mouvement oculaire réflexe qui stabilise les images sur la rétine pendant les mouvements de la tête en produisant automatiquement un mouvement des yeux dans la direction opposée du mouvement de la tête.

Mon père disait souvent: «De cela, je suis absolument certain, devenir neurochirurgien était une conséquence directe de mon œil pour le ballon.» Quand mon père parlait d'avoir un «oeil pour le ballon», il faisait référence à son système VOR.

Le réflexe vestibulo-oculaire doit fonctionner très rapidement pour maintenir une vision et une concentration claires. Les mouvements de la tête doivent être compensés presque immédiatement, sinon votre vision ressemblerait à une vidéo prise d'une main tremblante ou en mouvement. Hypothétiquement, des anomalies du VOR feraient du monde un endroit très désorientant, comme ce pourrait être le cas chez les personnes atteintes de troubles du spectre autistique.

Comme l'illustre cette étude la plus récente, l'exécution de mouvements oculaires précis dépend essentiellement du cervelet. L'activité neuronale combinée de deux types apparemment opposés de cellules de Purkinje dans le cervelet du cerveau a récemment été trouvée pour contrôler les mouvements saccadés des yeux connus sous le nom de saccades chez les singes par David Herzfeld et al.

Qu'est-ce qu'un "Saccade"?

Source: Studios Afrique / Shutterstock

Une saccade est un mouvement rapide et simultané des deux yeux entre deux phases de fixation dans le même sens. Lorsque l'information visuelle est reçue de la rétine, elle est traduite en informations spatiales et ensuite transférée aux centres moteurs pour des réponses motrices appropriées.

Nous comptons sur la précision des mouvements oculaires saccadés à chaque milliseconde de notre vie. Dans les conditions normales de la vie quotidienne, vous effectuez environ 3 à 5 saccades par seconde, ce qui représente environ un demi-million de saccades par jour.

Quelqu'un avec la dysmétrie saccadique produit des mouvements oculaires incontrôlables comprenant des microsaccades, un flutter oculaire, et des secousses carrées d'onde même quand l'oeil est au repos. On pense que la cause de la dysmétrie est des lésions dans le cervelet ou des lésions dans les nerfs proprioceptifs qui conduisent au cervelet. Votre cervelet est responsable de la coordination des informations sensorielles visuelles, spatiales et autres avec le contrôle moteur.

Quel est le lien entre les cellules de Purkinje, les mouvements oculaires et l'autisme?

Source: Petr Novak / Wikimedia Commons

Récemment, il y a eu une vague de recherche reliant les cellules de Purkinje, le cervelet et les troubles du spectre autistique (TSA). Les découvertes récentes de Herzfeld et al ajouter à un ensemble croissant de preuves qui corrèle potentiellement des anomalies des cellules de Purkinje avec l'autisme. Bien que la récente étude de Herzfeld ne se réfère pas à l'autisme en particulier, les dernières découvertes sur le rôle des cellules de Purkinje dans le contrôle des mouvements oculaires soutiennent des recherches antérieures reliant les mouvements oculaires, le cervelet et l'autisme.

Dans les troubles du spectre autistique, le cerveau montre systématiquement des défauts dans les cellules de Purkinje, qui ont un seul axone qui part du cervelet et crée une connectivité du cervelet à la plupart des autres régions du cerveau. Des recherches antérieures ont trouvé un dysfonctionnement cérébelleux chez les personnes atteintes de TSA à travers des études post-mortem d'échantillons de cerveau qui ont montré une perte de volume de cellules de Purkinje. Au cours des dernières années, diverses études ont confirmé ce phénomène dans la majorité des cerveaux autistes.

Une étude de 2013, publiée dans la revue Nature , a révélé que le contact visuel pendant la petite enfance peut être la première indication de TSA. Les bébés commencent généralement à se concentrer sur les visages humains dans les premières heures de leur vie. Cependant, les enfants atteints d'autisme ne manifestent pas d'intérêt à établir un contact visuel, ce qui rend difficile la lecture des visages. Apprendre à capter inconsciemment les indices sociaux en prêtant attention aux yeux d'une autre personne est la clé de la connectivité sociale.

Une autre étude réalisée en août 2013 a révélé qu'une orientation visuelle atypique chez les enfants de 7 mois pouvait être un signe de risque pour l'autisme. L'étude intitulée «Microstructure de la matière blanche et orientation visuelle atypique chez les 7 mois à risque d'autisme» a été publiée dans American Journal of Psychiatry . La substance blanche dans le corps calleux relie les hémisphères gauche et droit de votre cerveau.

En 2014, les chercheurs ont rapporté que le blanc de nos yeux communiquait des signaux sociaux importants qui sont la clé de notre lien et de notre survie, tant au niveau conscient que subconscient. L'étude, "Discrimination inconsciente des repères sociaux des yeux blancs chez les nourrissons", a été publiée dans le journal en ligne Actes de la National Academy of Sciences . Les chercheurs de l'Université de Virginie et Max Planck Institute ont constaté que la capacité à répondre aux signaux oculaires commence généralement à se développer pendant la petite enfance autour de l'âge de sept mois.

Dans une autre étude réalisée en mars 2013, une équipe de chercheurs s'est penchée sur le gène Tsc2 dans les cellules de Purkinje du cervelet et a découvert qu'une perte de Tsc2 dans les cellules de Purkinje entraînait des déficits comportementaux de type autistique. Les chercheurs fournissent des preuves convaincantes que la perte de cellules de Purkinje dans le cervelet et / ou le dysfonctionnement peut être un lien important entre les TSA et un «phénomène anatomique général qui contribue au phénotype TSA», selon les chercheurs.

En août 2014, Samuel Wang et ses collègues de l'Université de Princeton ont rapporté que les anomalies du cervelet précoce entravent le développement neuronal et pourraient être une racine possible de l'autisme. En août 2014, ils ont publié leur théorie, "The Cerebellum, Sensitive Periods, and Autism", dans la revue Neuron .

Sam Wang, professeur agrégé de biologie moléculaire à l'Université de Princeton, fait des recherches fascinantes sur le traitement de l'information dans le cervelet, y compris ses contributions à l'apprentissage moteur, le rôle du cervelet dans la fonction cognitive et affective et le trouble du spectre autistique.

Conclusion: Le cervelet peut prendre le devant de la scène au 21e siècle

Mon père disait souvent: «Nous ne savons pas exactement ce que fait le cervelet. Mais quoi qu'il fasse, il en fait beaucoup. »Mon père serait ravi de voir la nouvelle preuve croissante qui aide à expliquer tout ce que le cervelet puissant et mystérieux est en train de faire.

Les cellules de Purkinje et le cervelet restent énigmatiques. Cela dit, les neuroscientifiques progressent régulièrement en utilisant la technologie du 21ème siècle pour nous aider à mieux comprendre le "petit cerveau" que Léonard de Vinci a identifié il y a plus de cinq cents ans. Nous avons encore un long chemin à parcourir avant de décrypter complètement ces mystères, par conséquent, plus de recherche est nécessaire.

Restez à l'écoute de The Athete's Way pour des mises à jour sur les dernières découvertes de la recherche sur les cellules du cervelet et de Purkinje. Si vous souhaitez en savoir plus sur ce sujet, jetez un coup d'œil à mes précédents articles sur le blog Psychology Today :

• "Les cellules de Purkinje éclater avec l'excitation d'état-dépendante"
• "Les blancs de vos yeux transmettent des vérités subconscientes"
• "La neuroscience du contact visuel"
• "12 façons que les mouvements oculaires abandonnent vos secrets"
• "Comment la pratique Hardwire Mémoire musculaire à long terme?"
• "La coordination main-oeil améliore les compétences cognitives et sociales"
• "Prêt, ensemble, allez! Comment le cerveau se prépare-t-il aux mouvements?
• "Comment la rêverie peut-elle améliorer les résultats axés sur les buts?"
• "L'autisme, les cellules de Purkinje et le cervelet sont entrelacés"
• "Comment les cellules de Purkinje dans le cervelet sont-elles liées à l'autisme?"
• "Synchronisation idiosyncratique du cerveau associée à l'autisme"
• "Pourquoi la danse est-elle si bonne pour votre cerveau?"
• "Ajouter du mouvement à une répétition mentale améliore les performances"

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