Vos yeux sont une fenêtre sur le fonctionnement interne de votre cerveau

Cervelet en rouge.

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

Chaque matin, je me réveille en espérant qu'il y aura des nouvelles de dernière heure qui nous aideront à mieux comprendre le fonctionnement interne du cervelet (en latin "petit cerveau"). Le cervelet est principalement connu pour son rôle dans tous les types de coordination sensorimotrice et la création de la fluidité du mouvement. Aujourd'hui, une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs internationaux révèle plus d'indices sur la façon dont les neurones spécifiques du cervelet sont liés à nos yeux étant une fenêtre dans le cerveau.

Je sais que la recherche de nouvelles recherches « cérébelleuses » (relatives ou situées dans le cervelet) est une raison extrêmement ésotérique de sortir du lit le matin … Mais, pour moi, décoder les mystères des cellules de Purkinje et le cervelet est profondément personnel.

Avant sa mort subite en 2007, mon père, neuroscientifique, neurochirurgien et auteur de The Fabric of Mind (Viking), a consacré les dernières années de sa vie à tenter de résoudre des énigmes à multiples facettes et énigmatiques du cervelet. Il est mort avant que les progrès de la technologie de neuro-imagerie ne lui permettent de réaliser ses rêves et ses hypothèses. Lors de ses funérailles, j'ai fait le vœu de faire de mon mieux pour que la passion de mon père pour «le petit cerveau» reste vivace tout au long du XXIe siècle.

Au cours de la dernière décennie, j'ai gardé mes antennes pour les progrès de la technologie neuroscientifique et je me suis efforcé de relier les points de recherche apparemment sans rapport avec le cervelet de manière nouvelle et utile.

• L'activité physique pendant les loisirs stimule la longévité, selon une étude
• La NFL impose de nouvelles pénalités lancinantes
• Les femmes souffrant de troubles de l'alimentation dessinent une image différente d'elles-mêmes
• Trop engagé?
• L'Anthropophaginien dégénéré

En écrivant le manuscrit du Chemin de l'Athlète (St. Martin's Press) en 2005, j'ai parlé à mon père tous les jours. Sans faute, au moins une fois par semaine, mon père disait: «Nous ne savons pas exactement ce que font les neurones de Purkinje du cervelet. Mais quoi qu'ils fassent, ils en font beaucoup. "

Les neurones 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. Il avait un talent pour déterrer des choses relativement évidentes que tout le monde semblait ignorer. Les cellules de Purkinje sont les neurones les plus importants et les plus distinctifs du cerveau. Leurs dendrites se déploient comme des fans chinois et sont disposés de manière systématique de manière à ce qu'ils restent alignés tout en assurant qu'ils ne se touchent jamais. Un seul axone fait saillie du ventilateur des dendrites.

Illustration des neurones de Purkinje (A) par Santiago Ramón y Cajal vers 1899.

Source: Santiago Ramón y Cajal / Domaine Public

Pour en savoir plus sur les idées que j'ai acquises sur les cellules de Purkinje grâce à des conversations avec mon père, veuillez consulter quelques extraits gratuits de The Athlete's Way . Bien que j'aie écrit ces passages il y a plus de dix ans, les idées spéculatives fournies par mon père sont prophétiquement précises à la lumière des dernières découvertes neuroscientifiques empiriques publiées ces derniers mois.

• Le pape aimerait HR 2646
• 13 Rendez-vous Red Flags
• Chaque interaction humaine, expliquée
• Pensée de l'art ou l'importance de l'invention du point B
• Ninja Parenting

Ce matin, j'ai été ravi de lire une nouvelle étude sur les neurones de Purkinje qui aide à expliquer pourquoi mon père a fait une supposition éclairée que ces cellules cérébelleuses sont incroyablement dynamiques et extraordinaires. Comme il se trouve, les neurones de Purkinje dans le cervelet peuvent simultanément dicter quand un mouvement musculaire finement réglé, des pauses, et la vitesse à laquelle ce mouvement coordonné se produit.

Le rapport de juillet 2016, «Multiplexed Coding by Cerebellar Purkinje Neurons», apparaît dans la revue eLife . Techniquement, «multiplex» signifie «un système ou un signal impliquant la transmission simultanée de plusieurs messages le long d'un seul canal de communication». Cette recherche suggère que l'axone singulier d'un neurone de Purkinje est capable de délivrer plusieurs messages simultanément.

Ces découvertes offrent de nombreux indices sur le contrôle moteur allant de maladies comme la maladie de Parkinson ou les troubles du spectre autistique (TSA) à la fluidité des mouvements associés à la maîtrise d'un instrument de musique ou au développement des capacités athlétiques d'un gymnaste olympique.

Pour cette étude, une équipe de chercheurs de l'Université des Sciences et Technologies de l'Institut d'Okinawa (OIST) et des collaborateurs allemands ont étudié comment les cellules de Purkinje du cervelet étaient corrélées avec les mouvements oculaires rapides «saccadiques».

L'année dernière, une étude révolutionnaire, «Encodage de l'action par les cellules de Purkinje du cervelet», par des chercheurs de l'École de médecine de l'Université Johns Hopkins a été publiée dans la revue Nature . Les chercheurs ont rapporté que les cellules de Purkinje partagent des propriétés complexes de pointe complexes qui semblent contrôler les mouvements oculaires rapides, connus sous le nom de saccades.

Source: Vladimir Arndt / Shutterstock

Que vous le remarquiez consciemment ou non, vos yeux bougent constamment. Vos yeux se déplacent rapidement et réflexivement d'un point de concentration à se concentrer sur autre chose. Pendant les saccades – même si vous ne pensez pas activement à bouger les yeux – le cervelet fait constamment l'inventaire pour déterminer où diriger votre attention, en fonction de ce qui détient l'information la plus importante. Les saccades finement réglées nous permettent de faire des choses telles que maintenir un contact visuel avec quelqu'un pendant que vous êtes engagé dans une conversation ou une volée de balle de tennis vers vous à plus de 100 miles à l'heure.

Fait intéressant, l'un des principaux symptômes de l'autisme est d'avoir de la difficulté à maintenir le contact visuel lors de conversations émotionnelles. Les autopsies d'enfants autistes révèlent des cervelets rétrécis et des cellules de Purkinje atrophiées. J'ai écrit sur ce phénomène dans un article sur le blog de Psychology Today , "Qu'est-ce qui empêche le contact visuel pendant les conversations émotionnelles?"

La saccade est un exemple parfait de la coordination sensorimotrice du cervelet. La façon dont nous coordonnons tous nos mouvements musculaires a des répercussions profondes sur la façon dont nous interagissons avec l'environnement et les gens qui nous entourent. Ceci est particulièrement vrai lorsque l'on atteint un état d'écoulement ou de superfluidité , qui est caractérisé par des mouvements de coordination d'une manière qui s'écoule sans frottement ni viscosité.

Les dernières découvertes de l'OIST réaffirment mon hypothèse initiale selon laquelle les neurones de Purkinje jouent un rôle central dans la réalisation d'un état de flux et de superfluidité sur et en dehors du terrain. Comme je le dis à la p. 119 du Chemin de l'Athlète ,

"Vous pourriez penser à mille dendrites de cellules de Purkinje comme" plat de réception "de beaucoup d'endroits larges et variés dans votre corps. Le seul axone de la cellule de Purkinje pourrait être vu comme un fil sortant envoyant des signaux de partout par un pipeline consolidé. Les dendrites des cellules de Purkinje sont parallèles mais ne se touchent jamais. Ils oscillent comme des poissons et poussent des signaux dans l'axone, hors du cervelet, et dans le cerveau.

Ce traitement rapide dans les neurones de Purkinje d'un gardien de but dans le cervelet lui permet de sauter pour un ballon de soccer tout en tendant les mains et en gardant les yeux fixés sur la cible en utilisant le réflexe vestibulo-oculaire (VOR) du cervelet. Dans le sport et la vie, le cervelet surveille l'équilibre, la proprioception, le contrôle postural, la coordination musculaire et la vélocité des mouvements.

Des chercheurs de l'Institut des sciences et de la technologie d'Okinawa (OIST) ont récemment capturé des images à couper le souffle de neurones de Purkinje qui révèlent la précision étonnante des illustrations de Ramón y Cajal datant d'il y a plus d'un siècle.

Source: OIST, utilisé avec permission

La sortie finale de n'importe quelle cellule de Purkinje donnée est via un seul axone. Fait intéressant, toutes les cellules de Purkinje semblent fonctionner de manière autonome, mais simultanément à l'unisson. Ces neurones prennent des informations sensorielles sur un niveau cérébelleux de chaque partie de votre corps et envoient cette information jusqu'au cerveau pour un traitement cérébral.

Les neurones de Purkinje travaillent à une vitesse quantique. L'amplification de plus de deux cent mille signaux entrants via un axone offre une capacité de traitement parallèle depuis le cervelet jusque dans le cortex cérébral.

Lorsque l'équipe OIST a construit un modèle mathématique sur le taux d'allumage moyen des pics de neurones de Purkinje, ils ont découvert qu'une relation simple pouvait prédire la fluidité du mouvement au tout début d'un mouvement de l'œil en saccade.

Comme tous les neurones, les cellules de Purkinje émettent des pics causés par la production électrique. Les cellules de Purkinje tirent des pointes rapidement la plupart du temps, mais de temps en temps il y a des pauses dans ces pointes. Dans une déclaration, le professeur Erik De Schutter, co-auteur et chef de l'unité de neuroscience computationnelle de l'OIST, a déclaré.

"Nous voulons savoir ce que ces pointes nous disent. . . Il y a un grand changement dans le potentiel du champ local au moment d'une saccade. Nous pouvons également voir qu'il y a un pic de début de pause dans la cellule de Purkinje au moment où le mouvement des yeux commence.

Cela nous a montré que les pics qui commencent les pauses contrôlent le début d'un mouvement et que ceux qui ne sont pas liés aux pauses contrôlent la vélocité du mouvement. Cela signifie qu'il y a un multiplexage dans les cellules de Purkinje – ils peuvent envoyer deux signaux à la fois. "

Ceci est important parce que cette recherche suggère que les deux périodes de pointes individuelles et le taux d'allumage moyen des pointes sont cruciales pour comprendre les complexités du cervelet et tous les types de motricité fine.

Conclusion: Atteindre la superfluidité dans le sport et la vie repose sur les neurones de Purkinje

Source: Jiang Dao Hua / Shutterstock

Pendant que vous regardez les athlètes de niveau élite s'affronter dans les jeux olympiques d'été de Rio au cours des prochaines semaines, rappelez-vous que tous leurs mouvements musculaires précis reposent sur les neurones de Purkinje dans le cervelet. À l'autre extrémité du spectre, la structure, la fonction et la connectivité des cellules de Purkinje atypiques peuvent rendre difficile la vie quotidienne des personnes atteintes de certains troubles neurologiques du cervelet.

Ces découvertes sur les neurones de Purkinje ont la capacité d'aider les experts à développer des interventions qui pourraient améliorer la performance d'un athlète ou d'un artiste en créant du flux et de la superfluidité. Cette recherche pourrait également aider ceux qui ont un large éventail de troubles enracinés dans des anomalies cérébelleuses à optimiser leur vie quotidienne.

Potentiellement, les dernières connaissances sur la compréhension du mécanisme des neurones dans le cervelet pourraient conduire à des avancées dans la technologie médicale – comme l'interfaçage cerveau-machine – qui pourraient permettre aux patients paralysés ou aux amputés de déplacer des prothèses en ajustant les signaux cérébraux. En outre, ces découvertes pourraient être utiles dans la conception d'intelligence artificielle avancée pour les robots qui nécessitent un contrôle moteur fin.

Restez à l'affût des mises à jour sur les façons dont la recherche cérébelleuse de pointe peut être appliquée à la fois au sport et à la vie. Pour en savoir plus sur les cellules de Purkinje, les mouvements oculaires et le cervelet, jetez un coup d'oeil à mes précédents articles sur le blog Psychology Today ,

• "Les cellules de Purkinje éclater avec l'excitation d'état-dépendante"
• "Le mécanisme épigénétique dans le cervelet entraîne l'apprentissage moteur"
• "Les blancs de vos yeux transmettent des vérités subconscientes"
• "La neuroscience du contact visuel"
• "12 façons que les mouvements oculaires abandonnent vos secrets"
• "Comment les cellules de Purkinje dans le cervelet sont-elles liées à l'autisme?"
• "L'autisme, les cellules de Purkinje et le cervelet sont entrelacés"
• "Davantage de liens de recherche sur l'autisme et le cervelet"
• "Synchronisation idiosyncratique du cerveau associée à l'autisme"
• "La connectivité améliorée du cervelet augmente la capacité créative"
• "Le cervelet contient de nombreux indices pour créer des robots humanoïdes"
• "5 raisons pour lesquelles le cervelet est la clé de la prospérité à l'ère numérique"

© 2016 Christopher Bergland. Tous les droits sont réservés.

Suivez-moi sur Twitter @ckbergland pour les mises à jour sur les articles du blog de The Athlete's Way .

The Athlete's Way ® est une marque déposée de Christopher Bergland.