Neurosciences

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Dessin de neurones du cervelet de pigeon par Santiago Ramón y Cajal (1899)

Les neurosciences sont l'étude scientifique du système nerveux, tant du point de vue de sa structure que de son fonctionnement, depuis l'échelle moléculaire jusqu'au niveau des organes, comme le cerveau, voire de l'organisme tout entier. Apparues à l'origine comme une branche de la biologie, les neurosciences ont rapidement évolué vers un statut plus interdisciplinaire qui les situent aujourd'hui à la croisée des sciences biologiques, médicales, psychologiques, chimiques, informatiques et mathématiques. Cet élargissement de l'arsenal conceptuel et méthodologique des neurosciences va de pair avec une diversité d'approches dans l'étude des aspects moléculaires, cellulaires, développementaux, anatomiques, physiologiques, cognitifs, génétiques, évolutionnaires, computationnels ou médicaux du système nerveux.

Dans les grands médias, les neurosciences sont souvent présentées sous l'angle des neurosciences cognitives, tout particulièrement les travaux utilisant l'imagerie cérébrale, bien qu'il s'agisse là d'une sous-partie du champ scientifique que constituent les neurosciences.

Histoire[modifier | modifier le code]

Le terme de neurosciences apparaît (dans la langue anglaise) à la fin des années 1960 pour désigner la branche des sciences biologiques qui s'intéresse à l'étude du système nerveux et plus particulièrement du point de vue électrophysiologique, comme l'illustrent les travaux des futurs Prix Nobel, David Hubel et Torsten Wiesel qui enregistrent les réponses électriques des neurones du cortex visuel du chat en fonction des images qu'on lui présente. Néanmoins, en tant que discipline scientifique, les neurosciences se situent dans la lignée d'une démarche scientifique bien plus ancienne qui a reçu diverses étiquettes suivant les époques et les méthodes qu'elle a employées.

Bien que le terme date du XXe siècle, l'étude anatomique du système nerveux hérite directement des travaux des médecins anatomistes de la Renaissance, tel André Vésale. Avant cela, de nombreux médecins s'étaient intéressés au fonctionnement du système nerveux et de son lien avec la pensée. Si le nom du « père » de la médecine Hippocrate reste associé à la découverte du rôle du cerveau dans les fonctions mentales, l'histoire de ce qu'on désigne aujourd'hui comme la neurologie et la psychiatrie prend ses origines dans les traités médicaux de l'Égypte ancienne et passe par les écrits des médecins romains (Galien), puis arabo-musulmans (Averroès), pour arriver aux travaux de Descartes. Ces derniers annonceront une époque de progrès scientifiques qui établiront un pont entre la psychologie, l'anatomie et la physiologie, avec des conséquences très directes sur la réflexion philosophique des Lumières.

L'étude du fonctionnement du système nerveux sera en effet véritablement lancée au XVIIIe siècle par la découverte de la « bioélectricité » dont le médecin et physicien Luigi Galvani fut l'un des pionniers. Au cours du XIXe siècle, ces travaux sur l'« électricité animale » connaîtront de grands progrès. Et à la fin du siècle, en 1875, les premières observations de l'activité électrique en lien avec le comportement seront décrites par un médecin anglais, Richard Caton.

Parallèlement, à la fin du XIXe siècle, ce seront les progrès dans l'optique et la chimie qui permettront de découvrir grâce à la coloration des coupes histologiques du tissu nerveux et leur observation au microscope, la structure et l'organisation des neurones. Deux figures incontournables de cette découverte, Camillo Golgi et Santiago Ramón y Cajal partageront ainsi tous les deux le Prix Nobel de physiologie et médecine en 1906.

Enfin, toujours en cette deuxième moitié du XIXe siècle, l'étude scientifique des patients souffrant de lésions cérébrales par les médecins Broca ou Wernicke formera les prémisses de la « neurologie expérimentale » et de l'étude des fonctions mentales (on dirait aujourd'hui cognitives) du système nerveux, future neuropsychologie. La découverte de l'aire de Broca en 1861 est ainsi la première démonstration du rôle du système nerveux dans une fonction dite supérieure, à savoir le langage articulé. Et c'est à l'époque où Charles Darwin propose sa théorie de l'évolution que le même Broca s'intéresse de près aux homologies entre le cerveau humain et celui des autres primates.

Historiquement, les neurosciences ont donc d'abord émergé comme une branche de la biologie et de la médecine, philosophiquement inspirée par le scientisme du XIXe siècle et postulant l'absence de toute cause endogène (auto-générée) du comportement humain.

Avec l'évolution des connaissances scientifiques et des méthodes, la chimie, la psychologie, l'informatique et la physique ont par la suite amplement contribué aux progrès de cette discipline. Par ailleurs, il ne faut pas oublier une branche moderne de la philosophie qui a eu et, qui a encore, un impact important sur la façon d'approcher les neurosciences, notamment au travers de ce qu'on appelle les sciences cognitives. Un exemple des plus célèbres de la confrontation entre philosophie et neuroscience est la quête d'une localisation de l'âme dans le cerveau. Ainsi, au XVIIe siècle, le philosophe René Descartes utilisait un argument neuroscientifique pour faire de la glande pinéale le siège de l'âme (tout en accordant à cette dernière une existence distincte) : alors que les différentes structures du cerveau possèdent chacune un symétrique dans l'autre moitié du cerveau, ce n'est pas le cas de la glande pinéale. Si les termes de cette question particulière sont aujourd'hui dépassés, l'approche philosophique du scientisme continue de jouer un rôle important sur les paradigmes mis en œuvre dans les neurosciences.

(voir infra)

Organisation du champ des neurosciences[modifier | modifier le code]

Les neurosciences couvrant plusieurs ordres de grandeurs de complexité, on peut les diviser en fonction de cette caractéristique[1] :

  • quelques μm : synapses
  • 100 μm : neurones
  • 1 mm : réseaux élémentaires
  • 1 cm : « cartes » (maps)
  • 10 cm : ensemble cognitif et moteur spécialisé

Les frontières des diverses disciplines restent relativement floues. Les principales sont données ci-dessous :

Les tableaux ci-dessous présentent de manière détaillée les disciplines des neurosciences, regroupées en grandes familles :

  • Les sciences biologiques des neurosciences
  • Les sciences cognitives
  • Les sciences médicales
  • L'ingénierie et la technologie des neurosciences
  • Les disciplines récentes

Les sciences biologiques des neurosciences :

Disciplines Sujets majeurs Méthodes expérimentales et théoriques
Neurobiologie L'étude biologique du système nerveux Toutes les méthodes ci-dessous
Neurodéveloppement Prolifération cellulaire, Neurogenèse, Guidage axonal, Développement dendritique, Migration neuronale, Facteur de croissance, Jonction neuromusculaire, Neurotrophine, Apoptose, Synaptogenèse Ovocyte de Xenope, Chimie des protéines, Génomique, Drosophile, Gènes HOX
Neurobiologie moléculaire Synthèse des protéines, Transport des protéines, Canal ionique
Neurohistologie Neurocytologie, Glie (Astrocyte, Cellule de Schwann, Oligodendrocyte, Microglie) Immunohistochimie, Microscopie électronique
Neurophysiologie Potentiel d'action, Synapse, Transmission synaptique, Neurotransmetteurs, Photorécepteurs, Neuroendocrinologie, Neuroimmunologie PCR, Patch clamp, Clonage moléculaire, Dosage biochimique, Hybridation fluorescente in-situ, Southern blots, Puce à ADN, Protéine fluorescente verte, Imagerie calcique, HPLC, Microdialyse, Génomique fonctionnelle
Neuroanatomie Système somatosensoriel, Système visuel, Cortex visuel primaire, Système auditif, Système vestibulaire Dissection, Microscopie photonique, Traçage neuronal
Neuroanatomie fonctionnelle Audition, Intégration sensorielle, Nociception, Vision des couleur, Olfaction, Système moteur, Moelle épinière, Sommeil, Homeostasie, Vigilance, Attention
Neuropharmacologie Canal ionique Transduction de signal Psycho(neuro)pharmacologie Neuropsychophamacologie (en)
Psychophysiologie Rythmes circadiens Potentiel évoqué

Les sciences cognitives des neurosciences :

Disciplines Sujets majeurs Méthodes expérimentales et théoriques
Neurosciences affectives Émotions, Motivation, Douleur méthodes expérimentales de Génétique humaine
Neurosciences comportementales Génétique comportementale, Psychologie biologique, Équilibre (comportement), Comportement d'agression, Comportement maternel, Comportement sexuel, Homeostasie, Contrôle moteur, Effet activationnel des hormones Modèle animal, Souris knock-out
Neurosciences cognitives Vigilance, Attention, Perception, Vision, Audition, Olfaction, Goût, Prise de décision, Langage, Mémoire, Apprentissage moteur EEG, MEG, IRMf, TEP, SPECT, Stimulation magnétique transcranienne, méthodes expérimentales de Psychologie cognitive, Psychométrie
Neurosciences sociales Cognition, Emotions, Motivation, Perception sociale, Raisonnement moral, Empathie modèles théoriques de la Psychologie sociale, Science cognitive, et Biologie;
méthodes expérimentales des Neurosciences, Génétique comportementale, Endocrinologie.
Neurolinguistique Langage, Aire de Broca, Acquisition du langage, Perception de la parole modèles théoriques de Psycholinguistique, Science cognitive, et Informatique;
méthodes expérimentales de Neurosciences cognitives

Les sciences médicales des neurosciences :

Disciplines Sujets majeurs Méthodes expérimentales et théoriques
Neuropathologie
Neurologie Démence, Neuropathie périphérique, Traumatisme médullaire, Traumatisme crânien, Système nerveux autonome, Maladie de Parkinson, Amnésie Essai clinique, Neuropharmacologie, Stimulation cérébrale profonde, Neurochirurgie
Neuropsychologie Aphasie, Apraxie
Psychiatrie Schizophrénie, Dépression, Addiction, Anxiété

Ingénierie et technologie :

Disciplines Sujets majeurs Méthodes expérimentales et théoriques
Neuro-ingénierie Interface neuronale directe Électromyogramme, EEG, MEG
Imagerie cérébrale Imagerie structurale, Imagerie fonctionnelle Tomographie par émission de positons, Imagerie par résonance magnétique, Magnétoencéphalographie, IRM de diffusion

Disciplines récentes :

Disciplines Sujets majeurs Méthodes expérimentales et théoriques
Philosophie des neurosciences
Neurosciences computationnelles et théoriques Réseau de neurones, Apprentissage hebbien Markov chain Monte Carlo, high performance computing

Méthodes[modifier | modifier le code]

Animation des sections IRM à travers l'axe-Z d'un être humain adulte sain.

Aujourd'hui, l'étude du système nerveux passe par de multiples approches qui suivent deux grandes directions :

  • une approche ascendante (ou bottom-up) qui étudie les briques de base du système nerveux pour essayer de reconstituer le fonctionnement de l'ensemble;
  • une approche descendante (top-down) qui, en étudiant les manifestations externes du fonctionnement du système nerveux, tente de comprendre comment il est organisé et comment il fonctionne.

Ces deux démarches, ascendante pour la première et descendante pour la deuxième, commencent aujourd'hui à se rencontrer à un carrefour formé par l'imagerie cérébrale et plus généralement les neurosciences cognitives. En effet, les techniques d'imagerie cérébrale permettent de déterminer comment une fonction cognitive précise est réalisée dans le système nerveux en mesurant divers corrélats de l'activité neuronale (vasculaire pour l'IRM fonctionnelle, électrique pour l'EEG...) lorsque le sujet (humain ou non) réalise une tâche donnée (écouter un son, mémoriser une information, lire un texte...).

Applications[modifier | modifier le code]

L'une des activités les plus médiatisées des neurosciences est l'atlas neuro-fonctionnel du cerveau. Une autre, en plein essor, est la neuropsychologie. Une meilleure connaissance des pathologies neuronales est aussi un domaine considéré crucial, notamment avec l'augmentation des pathologies neurodégénératives au sein d'une population vieillissante.

On peut aussi citer le développement de la neuroéconomie. Dans ce dernier domaine, les recherches auraient montré que certaines décisions dans des domaines censés être rationnels (achats et vente en bourse) seraient souvent liées à de fortes excitations et émotions, mettant en jeu des zones du cerveau associées au plaisir ou à la souffrance. Cela ouvre la voie à l'exploration du rôle des émotions dans le processus de décision quel que soit le domaine.

Questionnements actuels[modifier | modifier le code]

Bien qu'ayant réalisé de grandes avancées ces dernières décennies, la recherche en Neurosciences a encore de grandes interrogations devant elles. Son plus grand défi reste et restera de lier la biologie (les neurones) à la psychologie (la conscience, l'esprit, l'intelligence, etc.). Voici quelques exemples de questionnements actuels sur lesquels planchent certains neuroscientifiques :

  • Où est stockée l'information (la mémoire), au niveau des neurones ou ailleurs ? Les neurones pourraient-ils ne servir que de relais ?
  • Comment se met en place l'organisation du système nerveux au cours du développement ? Comment peut-elle être altérée ?
  • Comment se déclenchent les maladies neurodégénératives ? (la majorité d'entre-elles ont une étiologie encore inconnue.)
  • Quel est le rôle des cellules gliales dans le fonctionnement normal et pathologique du cerveau ?
  • Quelles sont les relations entre perception et réalité ?
  • Comment expliquer les états modifiés de la conscience ?
  • ...

Critiques[modifier | modifier le code]

Paul Valéry s'est montré sceptique à l'égard de ceux qui affirmaient voir - à son époque - l'esprit au bout de leur bistouri :

« Veuillez donc supposer que les plus grands savants qui ont existé jusqu'à la fin du XVIIIe siècle, les Archimède et les Descartes, étant assemblés en quelque lieu des Enfers, un messager de la Terre leur apporte une dynamo et la leur donne à examiner à loisir (...). Ils la font démonter, en interrogent et en mesurent toutes les parties. Ils font en somme tout ce qu'ils peuvent... Mais le courant leur est inconnu, l'induction leur est inconnue; ils n'ont guère l'idée que de transformations mécaniques. Ainsi tout le savoir et tout le génie humain réunis devant ce mystérieux objet échouent à en deviner le secret, et à deviner le fait nouveau qui fut apporté par Volta (...), Ampère, Oersted, Faraday, et les autres (...) [C'est] ce que nous-mêmes faisons quand nous interrogeons un cerveau, le pesant, le disséquant, le débitant en coupes minces et soumettant ces lamelles fixées à l'examen histologique »

(Variété III, Le bilan de l'intelligence).

Pour leur ambition de comprendre les mécanismes de la pensée selon une vision tirée du monisme anthropologique et du scientisme, les neurosciences font l'objet de critiques qui se rassemblent autour d'une démarche antiréductionniste : selon ces critiques, les neurosciences sous-estiment la différence d'échelle entre leur discipline et des phénomènes qui relèvent jusqu'ici d'autres champs scientifiques comme la linguistique, l'anthropologie, la psychologie, la sociologie ou la psychiatrie. Ainsi par exemple ce que Jean-Pierre Changeux nomme concept dans L'homme neuronal reste encore une extension du percept, très éloignée encore des concepts du niveau étudié en philosophie. Sans mettre en cause l'intérêt de la démarche, ces critiques affirment que les neurosciences crient juste victoire encore un peu tôt.

Si des neuroscientifiques comme Changeux semblent tomber effectivement dans une approche assez réductionniste, d'autres comme le philosophe Daniel Dennett dénoncent ce réductionnisme comme pouvant correspondre à des motivations mercantiles. Les neurosciences cognitives contemporaines essaient en tout cas de tracer des ponts entre l'exploration des mécanismes cérébraux et la richesse des quelques phénomènes cognitifs simples. Nul ne conteste qu'il reste beaucoup à établir avant de pouvoir expliquer une conduite ou un état d'âme aux moyens de ces nouveaux outils scientifiques, en admettant même que cette technique soit la plus simple pour cela (nous n'avons pas besoin par exemple de connaître en détail le cerveau d'un chat pour savoir qu'il se mettra à courir après une souris, pas plus que de connaître la physique du solide pour évaluer la robustesse d'un escabeau).

L'usage de l'imagerie médicale comme outil d'interprétation du comportement humain suscite également un certain scepticisme, car cette démarche est susceptible de confondre la cause et l'effet (l'excitation d'un organe pouvant être le résultat physiologique d'une décision, et non sa cause). Plus généralement, de telles conclusions tirées de l'observation d'un être animé pourraient être entachées de l'erreur de raisonnement connue sous le nom de petitio principii (où la conclusion de l'expérience résulte directement des postulats métaphysiques du chercheur, voire de ses préjugés sociaux, et non des faits).

Une autre critique concerne la dimension éthique, sociale et technologique des neurosciences. Le problème de la responsabilité sociale de l'activité scientifique n'est pas propre aux neurosciences, mais il est exacerbé par la médiatisation des avancées faites dans ce domaine et par la fascination liée à l'idée de transformer non pas l'enveloppe corporelle de l'homme (à ce sujet voir l'article clonage) mais le fonctionnement de son esprit (voir transhumanisme). Certains s'inquiètent ainsi de l'émergence d'un neuromarketing, dont l'objectif est d'utiliser les neurosciences pour améliorer l'efficacité des campagnes de marketing : ces recherches trouvent des financements, mais on ne connaît pas les motivations des financiers de cet investissement, ni quel retour ils en espèrent, et pas davantage s'ils ne sont motivés que par la connaissance pure. D'autre part, la remise en question du libre arbitre peut être interprétée comme une remise en cause de la Déclaration universelle des droits de l'homme, justifiant ainsi des restrictions politiques de la part de gouvernements prompts à exploiter ce genres d'occasions, comme cela a été le cas au XXe siècle avec l'eugénisme.

Il y a cependant en face le souhait de mieux comprendre le mental humain. Le choix d'applications aux découvertes est lié à tout progrès scientifique et n'est en rien spécifique aux neurosciences. Un pouvoir politique bien contrôlé par le citoyen peut tenter de mettre des garde-fous éthiques aux utilisations technologiques ou sociales des progrès scientifiques sans pour autant entraver la recherche. On en revient alors au dilemme bien connu entre les citoyens et les détenteurs de puissance financière - qui sont parfois les mêmes.

Prix Nobel[modifier | modifier le code]

Plusieurs personnalités scientifiques œuvrant dans le domaine des neurosciences ont été récompensées du Prix Nobel de médecine et de physiologie :

Année Lauréat(s) Nationalité Travaux récompensés
1904 Ivan Petrovich Pavlov Drapeau de la Russie Russie en reconnaissance de son travail sur la physiologie digestive, grâce auquel la connaissance sur les aspects vitaux du sujet a été transformée et élargie.
1906 Camillo Golgi et
Santiago Ramón y Cajal
Drapeau de l'Italie Italie
Drapeau de l'Espagne Espagne
en reconnaissance de leurs travaux sur la structure du système nerveux.
1914 Robert Bárány Flag of the Habsburg Monarchy.svg Autriche-Hongrie pour son travail sur la physiologie et la pathologie de l'appareil vestibulaire.
1932 Sir Charles Scott Sherrington
et Edgar Douglas Adrian
Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni pour leurs découvertes sur les fonctions des neurones.
1936 Sir Henry Hallett Dale

Otto Loewi
Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni

Drapeau de l'Allemagne Allemagne
pour leurs découvertes relatives à la transmission chimique des signaux nerveux.
1944 Joseph Erlanger, Herbert Spencer Gasser Drapeau des États-Unis États-Unis pour leurs découvertes sur les fonctions hautement différenciées d'une fibre nerveuse isolée.
1949 Walter Rudolf Hess

António Caetano de Abreu Freire Egas Moniz
Drapeau de la Suisse Suisse

Drapeau du Portugal Portugal
sa découverte de l'organisation fonctionnelle du mésencéphale comme coordinateur des activités des organes internes.

pour sa découverte de la valeur thérapeutique de la lobotomie dans certaines psychoses.
1963 Sir John Carew Eccles

Alan Lloyd Hodgkin

Andrew Fielding Huxley
Drapeau de l'Australie Australie

Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni

Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
pour leurs découvertes concernant les mécanismes ioniques impliqués dans l'excitation et l'inhibition de les portions périphérique et centrale de la membrane cellulaire des nerfs.
1967 Ragnar Granit

Haldan Keffer Hartline

George Wald
Drapeau de la Suède Suède

Drapeau des États-Unis États-Unis

Drapeau des États-Unis États-Unis
pour leurs découvertes concernant la physiologie primaire et les processus chimiques visuels dans l'œil.
1970 Sir Bernard Katz

Ulf von Euler

Julius Axelrod
Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni

Drapeau de la Suède Suède

Drapeau des États-Unis États-Unis
pour « leurs découvertes concernant les transmetteurs humoraux dans les terminaisons nerveuses et les mécanismes de leur stockage, relargage et inactivation ».
1971 Earl W. Sutherland, Jr. Drapeau des États-Unis États-Unis pour « ses découvertes les mécanismes d'action des hormones ».
1972 Gerald M. Edelman

Rodney R. Porter
Drapeau des États-Unis États-Unis

Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
pour « leurs découvertes concernant la structure chimique des anticorps ».
1973 Karl von Frisch

Konrad Lorenz

Nikolaas Tinbergen
Drapeau de l'Autriche Autriche

Drapeau de l'Autriche Autriche

Drapeau des Pays-Bas Pays-Bas
pour « leurs découvertes concernant l'organisation et l'incitation des comportements individuels et sociaux ».
1977 Roger Guillemin et Andrzej Wiktor Schally

Rosalyn Yalow
Drapeau de la France France Drapeau de la Pologne Pologne Drapeau des États-Unis États-Unis

Drapeau des États-Unis États-Unis
pour « leurs découvertes concernant la production d'hormones peptidiques dans le cerveau »

pour « le développement des radio-immuno assays des hormones peptidiques ».
1979 Allan MacLeod Cormack

Godfrey Newbold Hounsfield
Drapeau des États-Unis États-Unis, Drapeau de l'Afrique du Sud Afrique du Sud

Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
pour « le développement de tomographie ».
1981 Roger Sperry

David Hubel

Torsten Wiesel
Drapeau des États-Unis États-Unis

Drapeau des États-Unis États-Unis, Drapeau du Canada Canada

Drapeau de la Suède Suède
pour « ses découvertes concernant la répartition fonctionnel des hémisphères cérébraux. »


pour « leurs découvertes concernant l'analyse des informations dans le système visuel. »
1987 Susumu Tonegawa Drapeau du Japon Japon pour « sa découverte du principe génétique de la génération de la diversité des anticorps. »
1991 Erwin Neher

Bert Sakmann
Drapeau de l'Allemagne Allemagne

Drapeau de l'Allemagne Allemagne
pour « leur découverte des fonctions des canaux ioniques isolés dans les cellules. »
2000 Arvid Carlsson

Paul Greengard

Eric R. Kandel
Drapeau de la Suède Suède

Drapeau des États-Unis États-Unis

Drapeau des États-Unis États-Unis, Drapeau de l'Autriche Autriche
pour « avoir prouvé que la dopamine est le neurotransmetteur dont la déplétion provoque les symptômes de la maladie de Parkinson ».

pour « avoir montré comment les neurotransmetteurs agissent sur les cellules et peuvent activer une molécule importante connu sous le nom DARPP-32 ».

pour « avoir décrit les bases moléculaires de la mémoire à court terme et à long terme ».
2003 Paul C. Lauterbur

Sir Peter Mansfield
Drapeau des États-Unis États-Unis

Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
pour « leur découvertes concernant l'imagerie par résonance magnétique ».
2004 Richard Axel

Linda B. Buck
Drapeau des États-Unis États-Unis pour « leurs découvertes des récepteurs olfactifs et de l'organisation du système olfactif ».
Article détaillé : Catégorie:Neuroscientifique.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Trappenberg, Fundamentals of computational neurosciences, Oxford University Press, 2002, page 4 (introduction). (ISBN 0-19-851583-9 et 9780198515838)

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]