Cerveau humain

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Le cerveau humain a la même structure générale que le cerveau des autres mammifères, mais il est celui dont la taille relative par rapport au reste du corps est devenue la plus grande au cours de l'évolution. Si la Baleine bleue a le cerveau le plus lourd avec 6.92 kilogrammes contre 1.5 kg pour celui de l'homme, le coefficient d'encéphalisation humain est le plus élevé et est sept fois supérieur à celui de la moyenne des mammifères[1]. L'augmentation du volume cérébral humain vient en grande partie du développement du cortex cérébral qui est bien distinct de celui des autres Primates, en particulier les lobes frontaux qui représentent plus de 30 % de la surface cérébrale et interviennent essentiellement dans la planification, le langage et le mouvement volontaire. Près de la moitié du cortex cérébral est consacré à l'analyse sensorielle, principalement la vision[2].

Bien qu'il soit protégé par la barrière hémato-encéphalique et les os épais du crâne et qu'il baigne dans le liquide céphalorachidien, le cerveau humain reste soumis à des blessures et maladies dont les plus fréquentes sont le traumatisme crânien, les maladies neurotoxiques, neurologiques et neurodégénératives . Un certain nombre de troubles psychiatriques, comme la schizophrénie et la dépression, sont considérés comme associés aux dysfonctionnements du cerveau, bien que la nature de ces anomalies cérébrales ne soit pas bien comprise.

Histoire[modifier | modifier le code]

Historiquement, les avis se sont souvent opposés pour savoir qui du cerveau ou du cœur était le siège de l'âme. Dans un sens, il était impossible de nier que la conscience semble comme localisée dans la tête, qu'un coup à la tête provoque bien plus facilement l'inconscience qu'un coup sur le torse, et que secouer la tête donne des vertiges. Dans un autre sens, le cerveau soumis à un examen superficiel semble inerte, tandis que le cœur bat constamment. L'arrêt des battements cardiaques provoque la mort, tandis que les émotions induisent des changements du rythme cardiaque et que le chagrin produit souvent une sensation de douleur au niveau du cœur (« cœur brisé »). Pour Aristote, le siège de l'âme était le cœur et le cerveau, organe de refroidissement, servait simplement à assurer la circulation du sang (théorie philosophique et médicale du cardiocentrisme). Démocrite divise l'âme en trois parties : l'intellect dans la tête, l'émotion dans le cœur, le désir autour du foie[3]. Hippocrate était sûr que l'âme se trouvait dans le cerveau (théorie philosophique et médicale du cérébrocentrisme). Pour Hérophile, le cerveau était le centre de l’intelligence[4].

Dessin de Santiago Ramón y Cajal de neurones de pigeon observés grâce à la coloration de Golgi.

Galien a aussi défendu l'importance du cerveau, et élaboré des théories assez avancées sur sa manière de fonctionner. Même après la reconnaissance de la primauté du cerveau par la société savante, l'idée du cœur comme siège de l'intelligence a continué de survivre dans les idiomes populaires[5]. Galien a entrepris un long travail pour décrire les relations anatomiques entre le cerveau, les nerfs, et les muscles, démontrant que tous les muscles du corps sont connectés au cerveau par un réseau de nerfs. Il postulait que les nerfs activent les muscles mécaniquement, en transportant une substance mystérieuse qu'il appelle le pneuma psychique (ou « esprit animal »). Ses idées connaissent une relative renommée pendant le Moyen Âge, mais ne progressent pas jusqu'à la Renaissance. À la Renaissance, des études anatomiques détaillées résument et combinent les idées de Galien avec celles de Descartes et ses successeurs. Comme Galien, Descartes pensait le système nerveux en termes hydrauliques. Il est convaincu que les plus hautes fonctions cognitives, le langage notamment, sont effectuées par une « chose pensante » non-physique (res cogitans), mais que la majorité des comportements humains et animaux peuvent s'expliquer mécaniquement. Le premier grand pas vers la médecine moderne provient des recherches de Luigi Galvani, qui découvre qu'une décharge d'électricité statique appliquée sur le nerf d'une grenouille morte provoque la contraction de sa jambe.

Chaque grande avancée dans la compréhension du cerveau a suivi plus ou moins directement le développement d'une nouvelle méthode d'analyse. Au XVIIe siècle, Thomas Willis, père des neurosciences modernes prend le contrepied de la théorie dualiste de Descartes, privilégiant l'approche matérialiste grâce à sa description du fonctionnement des nerfs. Au XVIIIe siècle, Vincenzo Malacarne (it), fondateur de l'anatomie topographique et de la neuropsychologie, pose les principes de l'existence de signes cliniques de ses patients reliés à l’observation post-mortem de lésions de leur cerveau. Paul Broca démontre cette corrélation anatomo-clinique[6]. Au XIXe siècle, Franz Gall développe grâce à des techniques organologiques, une théorie localisationiste selon laquelle les fonctions cognitives sont au niveau des circonvolutions du cortex cérébral[7]. Les chirurgiens Charles Scott Sherrington et C.S. Roy observent le cerveau en salle d'opération et remarquent qu'une zone du cortex rougit lorsque le patient bouge une partie précise de son corps, montrant la consommation d'oxygène cérébrale.

Jusqu'au début du XXe siècle, les principales avancées ont découlé de la découverte de nouveaux colorants histologiques[8]. Sans coloration, le tissu cérébral apparait au microscope comme un impénétrable enchevêtrement de fibres protoplasmiques dans lequel il était impossible de déterminer une quelconque structure. L'une des colorations les plus importantes est la coloration de Golgi qui permet de colorer seulement une petite fraction de neurones. La coloration des neurones se fait apparemment de façon aléatoire mais colore les neurones dans leur entier, aussi bien le corps cellulaire que les dendrites et l'axone. Grâce notamment aux travaux de Camillo Golgi et de Santiago Ramón y Cajal, la nouvelle coloration a pu révéler des centaines de types distincts de neurones, chacun avec sa propre structure dendritique et son propre schéma de connectivité.

Au XXe siècle, les progrès en électronique ont ouvert la voie à la recherche des propriétés électriques des cellules nerveuses, notamment aux travaux comme ceux de Louis Sokoloff sur l'autoradiographie (le débit sanguin cérébral par la méthode des traceurs radioactifs permet de réaliser une cartographie fonctionnelle[9]), d'Alan Hodgkin ou d'Andrew Huxley sur la biophysique du potentiel d'action, et les travaux sur l'électrochimie de la synapse comme ceux de Bernard Katz[10]. Les premières études utilisaient des préparations spéciales, comme avec l'étude de la réponse de fuite rapide du calmar qui fait intervenir un axone et des synapses géantes. L'amélioration constante des électrodes et de l'électronique a permis d'affiner le niveau de résolution des recherches. Ces études ont complété les planches anatomiques en concevant le cerveau comme une entité dynamique.

Aux États-Unis, les années 1990 sont déclarées « Décennie du cerveau (en) » pour commémorer les avancées de la recherche sur le cerveau, et promouvoir les fonds pour les recherches futures[11],[12].

Structure[modifier | modifier le code]

Les principales divisions de l'encéphale représentées sur un cerveau de requin et un cerveau humain.

Le cerveau d'un homme adulte pèse près d'1,5 kg en moyenne (plus précisément 1.3 à 1.4 kg, ce qui représente 2 % du poids corporel pour une personne de 60 kg)[13]. Il a un volume d'environ 1 130 cm3 chez la femme et 1 290 cm3 chez l'homme, bien qu'il existe des variations individuelles importantes[14]. Rapportés à une taille et une surface corporelle identique, les hommes ont en moyenne un cerveau 100 grammes plus lourd que celui des femmes[15], mais ces différences ne sont pas corrélées avec le quotient intellectuel ou d'autres mesures de performance cognitive[16].

Le cerveau humain est constitué de 170 milliards de cellules dont 90 milliards de neurones, qui peuvent chacun former de 5 à 60 000 synapses[17]. La forte myélinisation des axones permet d'accélérer la vitesse de l'influx nerveux qui se propage de 1 m/s dans un axone amyélinisé à 100 m/s dans un axone myélinisé[18].

Le cerveau humain (partie la plus proéminente de l'encéphale), est situé au-dessus du cervelet et du tronc cérébral. Il comprend deux hémisphères cérébraux (formant avec des structures associées le télencéphale) et le diencéphale constitués des thalamus, hypothalamus, épithalamus et sous-thalamus. .

L'encéphale humain possède la même structure que celui des vertébrés. La neuroanatomie le divise en six régions principales définies sur la base du développement du système nerveux à partir du tube neural : le télencéphale, le diencéphale, le mésencéphale, le cervelet, le pont, et le bulbe rachidien. Chacune de ces régions possède une structure interne complexe. Certaines régions du cerveau, comme le cortex cérébral ou le cervelet, sont formés de couches formant des replis sinueux, les circonvolutions cérébrales, qui permettent d'augmenter la surface corticale tout en logeant dans la boîte crânienne. Les autres régions du cerveau représentent des groupes de nombreux noyaux. Si des distinctions claires peuvent être établies à partir de la structure neurale, la chimie et la connectivité, des milliers de régions distinctes peuvent être identifiées dans le cerveau.

Structure et organisation du cortex cérébral[modifier | modifier le code]

Lobes du cerveau
Organisation fonctionnelle du néocortex humain
Aire motrice primaire
Aire motrice supplémentaire préfrontale
Aire sensorielle primaire
Aire d'association sensorielle
Aire visuelle primaire
Aire auditive primaire

L'épaisseur du cortex cérébral est comprise entre 1 et 4,5 millimètres et sa surface avoisine deux mille centimètres carré[19].

Il y aurait une évidente difficulté à loger toute cette surface dans la boîte crânienne. En fait le cortex est plissé par des sillons (sulcus en latin scientifique) ou scissures, de profondeur variable, délimitant des crêtes appelées gyrus[20] ou circonvolutions cérébrales. Les scissures les plus profondes divisent le cortex en lobes. Selon leur situation, on parle de lobe frontal, pariétal, occipital et temporal.

Sous le cortex se trouve la substance blanche composée d'axones qui établissent les connexions entre corps cellulaires du cortex et d'autres parties du cerveau.

Le cortex cérébral est divisé en zones fonctionnelles, appelées aires (les trois grands types de zones ètant les aires sensorielles, les aires motrices et les aires d'association), chacune assurant une fonction cognitive précise. Ce sont les études de Paul Broca en 1861 qui ont pour la première fois suggéré l'existence d'une telle organisation du néocortex[21]. Ces zones sont à peu près identiques pour tous les individus d'une même espèce, mais présentent de petites différences. Cette spécialisation est floue chez les mammifères primitifs et se précise au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'homme.

Développement[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Neurodéveloppement.

Le développement cérébral s'effectue selon plusieurs phases qui peuvent se chevaucher[22] :

  • Neurogenèse : les neurones du cerveau humain commencent à se former autour de la 12e semaine de grossesse et sont pratiquement tous constitués et considérés comme matures à la 28e semaine, cette prolifération neuronale constituant un véritable « Big Bang neuronal ».
  • Migration neuronale : la migration radiaire et tangentielle des neuroblastes (en) du tube neural s'effectue sur de courtes (quelques mm) ou de longues distances (plusieurs cm), l'évolution ayant favorisé la migration cellulaire (en) vers le cortex cérébral qui s'accroît considérablement (phénomène de corticogenèse (en)). C'est l'étape de la formation des sillons et circonvolutions
  • Synaptogenèse : elle débute dès la seconde moitié de la grossesse, culmine durant les deux premiè­res années de vie et et se poursuit jusqu'à l’adolescence
  • Apoptose neuronale : 15 à 50 % des neurones « malades » ou redondants sont éliminés
  • Myélinisation des aires primaires puis des aires associatives qui sont câblées et réorganisées en fonction des activités du nourrisson (toucher dont le développement est fonctionnel au bout de 11 semaines de grossesse, le sens de l'équilibre au bout de 21 semaines, l'odorat et le sens gustatif au bout de 24 semaines, l'audition au bout de 32 semaines et enfin la vision)[17].
Cerveau humain : hypothalamus, amygdale, hippocampe, pont, hypophyse.

Fonctions[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Fonctions du cerveau.

Latéralisation et dominance cérébrale[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Asymétrie cérébrale.

Évolution[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Effet Flynn.

Le coefficient d'encéphalisation humain est le plus élevé car l'homme aurait appris à cuire ses aliments, ce qui rend la nourriture plus facile à mâcher et à digérer et lui apporte davantage de calories, entraînant une augmentation du nombre de neurones et de la taille du cerveau (en)[23].

Métabolisme[modifier | modifier le code]

Pathologies[modifier | modifier le code]

Trouble du spectre de l'alcoolisation fœtale[modifier | modifier le code]

La construction du cerveau pendant la période embryonnaire ou fœtale peut être affectée si la mère consomme de l'alcool. Les séquelles sont permanentes et peuvent causer un Trouble du spectre de l'alcoolisation fœtale.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Gérald Fournier, Évolution et civilisation : de l anthropologie de Charles Darwin à l économie évolutionniste étendue, Fournier,‎ 2011 (ISBN 978-2-9540304-0-1), p. 484
  2. Xavier Seron et Marc Jeannerod, Neuropsychologie humaine, Éditions Mardaga,‎ 1998, p. 153
  3. (en) S. Finger, Origins of neuroscience : A history of explorations into brain function, Oxford University Press,‎ 2001, 480 p. (ISBN 9780195146943, présentation en ligne), p. 14
  4. « De la psychobiologie aux neurosciences cognitives » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?). Consulté le 2013-04-08[PDF]
  5. (en) R. Hendrickson, The facts on file encyclopedia of word and phrase origins, New York, Facts on File,‎ 2008, 4e éd., 948 p. (ISBN 9780816069668, présentation en ligne)
  6. Modèles cognitifs de la mémoire[PDF]
  7. Bernard Mazoyer, John W. Belliveau, « Les nouveaux progres de l'imagerie », sur larecherche.fr,‎ 1986
  8. (en) F. E. Bloom et J. P. Swazey (dir.), The Neurosciences, paths of discovery, vol. 1973, MIT Press,‎ 1975, 622 p. (ISBN 9780262230728, présentation en ligne), p. 211
  9. (en) Louis Sokoloff, « The metabolism of the central nervous system in vivo », Neurophysiology, vol. 3,‎ 1960, p. 1843–1864
  10. (en) M. Piccolino, « Fifty years of the Hodgkin-Huxley era », Trends Neurosci., vol. 25, no 11,‎ 1er novembre 2002, p. 552-553 (ISSN 0166-2236, PMID 12392928, DOI 10.1016/S0166-2236(02)02276-2)
  11. (en) George H. W. Bush, « Project on the Decade of the Brain », sur http://www.loc.gov/,‎ juillet 1990 (consulté le 10 novembre 2010)
  12. (en) E. G. Jones et L. M. Mendell, « Assessing the decade of the brain », Science, vol. 284, no 5415,‎ 30 avril 1999, p. 739 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, DOI 10.1126/science.284.5415.739)
  13. Denis Le Bihan, Le cerveau de cristal. Ce que nous révèle la neuro-imagerie, Odile Jacob,‎ 2012
  14. (en) Cosgrove, KP, Mazure CM, Staley JK, « Evolving knowledge of sex differences in brain structure, function, and chemistry », Biol Psychiat, vol. 62, no 8,‎ 2007, p. 847–55 (DOI 10.1016/j.biopsych.2007.03.001)
  15. (en) C. Davison Ankney, « Sex differences in relative brain size : The mismeasure of woman, too ? », Intelligence, vol. 16, no 3–4,‎ 1992, p. 329–336 (DOI 10.1016/0160-2896(92)90013-H)
  16. (en) Gur RC, Turetsky BI, Matsui M, Yan M, Bilker W, Hughett P, Gur RE, « Sex differences in brain gray and white matter in healthy young adults : correlations with cognitive performance », The Journal of Neuroscience, vol. 19, no 10,‎ 1999, p. 4065–72 (lire en ligne)
  17. a et b Bernard Sablonnière, Le cerveau. Les clés de son développement et de sa longévité, Jean-Claude Gawsewitch Éditeur,‎ 2013 (ISBN 978-2350134451), p. 256
  18. Karen Huffman, Introduction à la psychologie, De Boeck Supérieur,‎ 2009, p. 84
  19. (en) B. Fischl et A. M. Dale (2000). Measuring the thickness of the human cerebral cortex from magnetic resonance images. Proc Natl Acad Sci U S A, 97(20):11050–5.
  20. le terme de latin anatomique gyrus a pour pluriel gyri, en terminologie française le pluriel est gyrus
  21. R. Saban, Conception de la physiologie cérébrale de François-Joseph Gall à Paul Broca : les localisations des fonctions cérébrales, in Biométrie humaine et anthropologie - Tome 20, numéros 3-4, juillet - décembre 2002, p. 195 à 203. [lire en ligne], (Cf. marque 32);
  22. (en) GZ Tau, BS Peterson, « Normal Development of Brain Circuits », Neuropsychopharmacology, no 1,‎ 2010, p. 147–168 (DOI 10.1038/npp.2009.115)
  23. (en) Karina Fonseca-Azevedo et Suzana Herculano-Houzel, « Metabolic constraint imposes tradeoff between body size and number of brain neurons in human evolution », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,‎ 19 septembre 2012 (DOI 10.1073/pnas.1206390109)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]