3.4 : Le cerveau et la moelle épinière
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Le cerveau est un organe remarquablement complexe composé de milliards de neurones et de cellules gliales interconnectés. Il s'agit d'une structure bilatérale, ou bilatérale, qui peut être séparée en lobes distincts. Chaque lobe est associé à certains types de fonctions, mais, en fin de compte, toutes les zones du cerveau interagissent les unes avec les autres pour constituer la base de nos pensées et de nos comportements. Dans cette section, nous discutons de l'organisation globale du cerveau et des fonctions associées aux différentes zones du cerveau, en commençant par ce qui peut être considéré comme une extension du cerveau, la moelle épinière.
La moelle épinière
On peut dire que c'est la moelle épinière qui relie le cerveau au monde extérieur. Grâce à cela, le cerveau peut agir. La moelle épinière est comme une station relais, mais elle est très intelligente. Non seulement il achemine les messages vers et depuis le cerveau, mais il possède également son propre système de processus automatiques, appelés réflexes.
Le sommet de la moelle épinière est un faisceau de nerfs qui se confond avec le tronc cérébral, où sont contrôlés les processus fondamentaux de la vie, tels que la respiration et la digestion. Dans la direction opposée, la moelle épinière se termine juste en dessous des côtes ; contrairement à ce à quoi on pourrait s'attendre, elle ne s'étend pas jusqu'à la base de la colonne vertébrale.
La moelle épinière est organisée fonctionnellement en 30 segments, correspondant aux vertèbres. Chaque segment est relié à une partie spécifique du corps par le biais du système nerveux périphérique. Les nerfs partent de la colonne vertébrale à chaque vertèbre. Les nerfs sensoriels transmettent les messages ; les nerfs moteurs envoient des messages aux muscles et aux organes. Les messages circulent à destination et en provenance du cerveau à travers chaque segment.
Certains messages sensoriels sont immédiatement traités par la moelle épinière, sans aucune intervention du cerveau. Le retrait d'un objet chaud et la secousse du genou en sont deux exemples. Lorsqu'un message sensoriel répond à certains paramètres, la moelle épinière déclenche un réflexe automatique. Le signal passe du nerf sensoriel à un simple centre de traitement, qui initie une commande motrice. Des secondes sont économisées, car les messages n'ont pas besoin d'être envoyés dans le cerveau, d'être traités et renvoyés. En matière de survie, les réflexes rachidiens permettent au corps de réagir extrêmement rapidement.
La moelle épinière est protégée par des vertèbres osseuses et rembourrée par du liquide céphalo-rachidien, mais des blessures persistent. Lorsque la moelle épinière est endommagée dans un segment particulier, tous les segments inférieurs sont coupés du cerveau, provoquant une paralysie. Par conséquent, plus les dommages à la colonne vertébrale sont bas, moins la personne blessée perdra de fonctions.
Neuroplasticité
Bob Woodruff, journaliste à ABC, a subi un traumatisme crânien après qu'une bombe a explosé à côté du véhicule dans lequel il se trouvait alors qu'il couvrait un reportage en Irak. À la suite de ces blessures, Woodruff a souffert de nombreux déficits cognitifs, notamment de troubles de la mémoire et du langage. Cependant, au fil du temps et à l'aide de doses intensives de thérapie cognitive et d'orthophonie, Woodruff a démontré un incroyable rétablissement de ses fonctions (Fernandez, 2008, 16 octobre).
L'un des facteurs qui ont rendu cette guérison possible était la neuroplasticité. La neuroplasticité fait référence à la façon dont le système nerveux peut changer et s'adapter. La neuroplasticité peut se manifester de différentes manières, notamment par des expériences personnelles, des processus de développement ou, comme dans le cas de Woodruff, en réponse à une sorte de dommage ou de blessure survenu. La neuroplasticité peut impliquer la création de nouvelles synapses, l'élagage de synapses qui ne sont plus utilisées, des modifications des cellules gliales et même la naissance de nouveaux neurones. En raison de la neuroplasticité, notre cerveau change et s'adapte constamment, et même si notre système nerveux est plus plastique lorsque nous sommes très jeunes, comme le suggère le cas de Woodruff, il est encore capable de changements remarquables plus tard dans la vie.
Les deux hémisphères
La surface du cerveau, connue sous le nom de cortex cérébral, est très irrégulière et se caractérise par un motif distinctif de plis ou de bosses, appelés gyri (singulier : gyrus), et de sillons, connus sous le nom de sulci (singulier : sulcus), illustrés à la Figure 3.15. Ces gyri et ces sillons constituent des points de repère importants qui nous permettent de séparer le cerveau en centres fonctionnels. Le sillon le plus important, connu sous le nom de fissure longitudinale, est le sillon profond qui sépare le cerveau en deux moitiés ou hémisphères : l'hémisphère gauche et l'hémisphère droit.
Il existe des preuves d'une spécialisation fonctionnelle, appelée latéralisation, dans chaque hémisphère, principalement en ce qui concerne les différences dans les fonctions linguistiques. L'hémisphère gauche contrôle la moitié droite du corps et l'hémisphère droit contrôle la moitié gauche du corps. Des décennies de recherche sur la latéralisation de la fonction menées par Michael Gazzaniga et ses collègues suggèrent que diverses fonctions, allant du raisonnement de cause à effet à la reconnaissance de soi, peuvent suivre des modèles suggérant un certain degré de domination hémisphérique (Gazzaniga, 2005). Par exemple, il a été démontré que l'hémisphère gauche est supérieur pour former des associations entre la mémoire, l'attention sélective et les émotions positives. L'hémisphère droit, en revanche, s'est révélé supérieur en termes de perception de la hauteur, d'excitation et d'émotions négatives (Ehret, 2006). Cependant, il convient de souligner que les recherches visant à déterminer quel hémisphère domine dans une variété de comportements différents ont produit des résultats incohérents. Par conséquent, il est probablement préférable de réfléchir à la manière dont les deux hémisphères interagissent pour produire un comportement donné plutôt que d'attribuer certains comportements à un seul hémisphère par rapport à l'autre (Banich et Heller, 1998).
Les deux hémisphères sont reliés par une épaisse bande de fibres neurales appelée corps calleux, composée d'environ 200 millions d'axones. Le corps calleux permet aux deux hémisphères de communiquer entre eux et permet de partager les informations traitées d'un côté du cerveau avec l'autre côté.
Normalement, nous ne sommes pas conscients des différents rôles que jouent nos deux hémisphères dans les activités quotidiennes, mais certaines personnes apprennent à bien connaître les capacités et les fonctions de leurs deux hémisphères. Dans certains cas d'épilepsie grave, les médecins choisissent de sectionner le corps calleux afin de contrôler la propagation des crises (Figure 3.16). Bien qu'il s'agisse d'une option de traitement efficace, elle entraîne des « divisions cérébrales » chez les personnes. Après la chirurgie, ces patients atteints d'un cerveau fendu présentent une variété de comportements intéressants. Par exemple, un patient atteint d'une fracture cérébrale n'est pas en mesure de nommer une image affichée dans le champ visuel gauche du patient parce que l'information n'est disponible que dans l'hémisphère droit, en grande partie non verbale. Cependant, ils peuvent recréer l'image avec leur main gauche, qui est également contrôlée par l'hémisphère droit. Lorsque l'hémisphère gauche, plus verbal, voit l'image dessinée par la main, le patient peut la nommer (en supposant que l'hémisphère gauche puisse interpréter ce qui a été dessiné par la main gauche).
Une grande partie de ce que nous savons sur les fonctions des différentes zones du cerveau provient de l'étude des changements dans le comportement et les capacités des personnes qui ont subi des lésions cérébrales. Par exemple, les chercheurs étudient les changements comportementaux provoqués par les accidents vasculaires cérébraux pour en savoir plus sur les fonctions de zones cérébrales spécifiques. Un accident vasculaire cérébral, causé par une interruption du flux sanguin vers une région du cerveau, entraîne une perte de la fonction cérébrale dans la région affectée. Les dommages peuvent se produire sur une petite zone et, si tel est le cas, cela donne aux chercheurs la possibilité de relier tout changement de comportement qui en résulte à une zone spécifique. Les types de déficits qui se manifestent après un AVC dépendent en grande partie de l'endroit où les lésions se sont produites dans le cerveau.
Prenons l'exemple de Theona, une femme intelligente et autonome de 62 ans. Récemment, elle a subi un accident vasculaire cérébral dans la partie avant de son hémisphère droit. Par conséquent, elle a beaucoup de difficulté à bouger sa jambe gauche. (Comme vous l'avez appris plus tôt, l'hémisphère droit contrôle le côté gauche du corps ; de plus, les principaux centres moteurs du cerveau sont situés à l'avant de la tête, dans le lobe frontal.) Theona a également connu des changements de comportement. Par exemple, lorsqu'elle se trouve dans la section des fruits et légumes de l'épicerie, elle mange parfois des raisins, des fraises et des pommes directement dans leurs bacs avant de les payer. Ce comportement, qui aurait été très embarrassant pour elle avant l'accident vasculaire cérébral, est compatible avec des dommages survenus dans une autre région du lobe frontal, le cortex préfrontal, qui est associé au jugement, au raisonnement et au contrôle des impulsions.
Structures du cerveau antérieur
Les deux hémisphères du cortex cérébral font partie du cerveau antérieur (Figure 3.17), qui constitue la plus grande partie du cerveau. Le cerveau antérieur contient le cortex cérébral et un certain nombre d'autres structures situées sous le cortex (appelées structures sous-corticales) : le thalamus, l'hypothalamus, l'hypophyse et le système limbique (ensemble de structures). Le cortex cérébral, qui est la surface externe du cerveau, est associé à des processus de niveau supérieur tels que la conscience, la pensée, les émotions, le raisonnement, le langage et la mémoire. Chaque hémisphère cérébral peut être subdivisé en quatre lobes, chacun étant associé à des fonctions différentes.
Lobes du cerveau
Les quatre lobes du cerveau sont les lobes frontal, pariétal, temporal et occipital (Figure 3.18). Le lobe frontal est situé dans la partie avant du cerveau et s'étend jusqu'à une fissure appelée sulcus central. Le lobe frontal est impliqué dans le raisonnement, le contrôle moteur, les émotions et le langage. Il contient le cortex moteur, qui participe à la planification et à la coordination des mouvements ; le cortex préfrontal, responsable du fonctionnement cognitif de haut niveau ; et la région de Broca, essentielle à la production du langage.
Les personnes qui subissent des dommages dans la région de Broca ont de grandes difficultés à produire un langage sous quelque forme que ce soit (Figure 3.18). Par exemple, Padma était une ingénieure électricienne socialement active et une mère attentionnée et impliquée. Il y a une vingtaine d'années, elle a eu un accident de voiture et a subi des dommages dans la région de Broca. Elle a complètement perdu la capacité de parler et de former tout type de langage significatif. Il n'y a rien de mal à sa bouche ou à ses cordes vocales, mais elle est incapable de produire des mots. Elle peut suivre les instructions mais ne peut pas répondre verbalement, et elle peut lire mais ne plus écrire. Elle peut effectuer des tâches de routine, comme courir au marché pour acheter du lait, mais elle ne pouvait pas communiquer verbalement si une situation l'exigeait.
Le cas le plus connu de lésion du lobe frontal est probablement celui d'un homme du nom de Phineas Gage. Le 13 septembre 1848, Gage (25 ans) travaillait comme contremaître de chemin de fer dans le Vermont. Lui et son équipe utilisaient une barre de fer pour aspirer des explosifs dans un trou de dynamitage afin d'enlever des roches le long du chemin de fer. Malheureusement, la tige de fer a créé une étincelle et a fait exploser la tige hors du trou de dynamitage, dans le visage de Gage et dans son crâne (Figure 3.19). Bien que couché dans une mare de son propre sang et que de la matière cérébrale émergeait de sa tête, Gage était conscient et capable de se lever, de marcher et de parler. Mais dans les mois qui ont suivi son accident, les gens ont remarqué que sa personnalité avait changé. Beaucoup de ses amis l'ont décrit comme n'étant plus lui-même. Avant l'accident, on disait que Gage était un homme bien élevé et doux, mais il a commencé à se comporter de façon étrange et inappropriée après l'accident. De tels changements de personnalité seraient compatibles avec une perte du contrôle des impulsions, c'est-à-dire une fonction du lobe frontal.
Au-delà des dommages causés au lobe frontal lui-même, des recherches ultérieures sur la trajectoire de la tige ont également révélé des dommages probables aux voies entre le lobe frontal et d'autres structures cérébrales, y compris le système limbique. Les liens entre les fonctions de planification du lobe frontal et les processus émotionnels du système limbique ayant été rompus, Gage avait du mal à contrôler ses pulsions émotionnelles.
Cependant, certaines preuves suggèrent que les changements spectaculaires de la personnalité de Gage ont été exagérés et embellis. Le cas de Gage s'est produit au milieu d'un débat du XIXe siècle sur la localisation, à savoir si certaines zones du cerveau sont associées à des fonctions particulières. Sur la base d'informations extrêmement limitées sur Gage, l'étendue de sa blessure et sa vie avant et après l'accident, les scientifiques ont eu tendance à trouver du soutien pour leurs propres points de vue, quel que soit le côté du débat (Macmillan, 1999).
Le lobe pariétal du cerveau est situé juste derrière le lobe frontal et participe au traitement des informations provenant des sens du corps. Il contient le cortex somatosensoriel, essentiel au traitement des informations sensorielles provenant de tout le corps, telles que le toucher, la température et la douleur. Le cortex somatosensoriel est organisé topographiquement, ce qui signifie que les relations spatiales qui existent dans le corps sont généralement maintenues à la surface du cortex somatosensoriel (Figure 3.20). Par exemple, la partie du cortex qui traite les informations sensorielles de la main est adjacente à la partie qui traite les informations provenant du poignet.
Le lobe occipital est situé tout à l'arrière du cerveau et contient le cortex visuel primaire, qui est responsable de l'interprétation des informations visuelles entrantes. Le cortex occipital est organisé de manière rétinotopique, ce qui signifie qu'il existe une relation étroite entre la position d'un objet dans le champ visuel d'une personne et la position de la représentation de cet objet sur le cortex. Vous en apprendrez beaucoup plus sur la façon dont l'information visuelle est traitée dans le lobe occipital en étudiant la sensation et la perception.
Autres zones du cerveau antérieur
Les autres zones du cerveau antérieur, situées sous le cortex cérébral, incluent le thalamus et le système limbique. Le thalamus est un relais sensoriel du cerveau. Tous nos sens, à l'exception de l'odorat, passent par le thalamus avant d'être dirigés vers d'autres régions du cerveau pour y être traités (Figure 3.22).
Le cas d'Henry Molaison (H.M.)
En 1953, Henry Gustav Molaison (H.M.) était un homme de 27 ans qui a eu de graves crises d'épilepsie. Pour tenter de maîtriser ses crises, H. M. a subi une opération au cerveau pour enlever son hippocampe et son amygdale. À la suite de l'opération, les crises de H.M sont devenues beaucoup moins graves, mais il a également subi des conséquences inattendues et dévastatrices de l'opération : il a perdu la capacité de se forger de nombreux types de nouveaux souvenirs. Par exemple, il n'a pas été en mesure d'apprendre de nouveaux faits, tels que la question de savoir qui était président des États-Unis. Il a pu acquérir de nouvelles compétences, mais par la suite, il n'a aucun souvenir de les avoir apprises. Par exemple, bien qu'il apprenne à utiliser un ordinateur, il n'aurait aucun souvenir conscient d'en avoir déjà utilisé un. Il ne se souvenait pas de nouveaux visages et il était incapable de se souvenir des événements, même immédiatement après qu'ils se soient produits. Les chercheurs ont été fascinés par son expérience et il est considéré comme l'un des cas les plus étudiés de l'histoire médicale et psychologique (Hardt, Einarsson et Nader, 2010 ; Squire, 2009). En effet, son cas a permis de mieux comprendre le rôle que joue l'hippocampe dans la consolidation des nouveaux apprentissages dans la mémoire explicite.
Structures du cerveau moyen et du cerveau postérieur
Le mésencéphale est composé de structures situées au plus profond du cerveau, entre le cerveau antérieur et le cerveau postérieur. La formation réticulaire est centrée dans le mésencéphale, mais elle s'étend en fait vers le haut jusqu'au cerveau antérieur et vers le bas jusqu'au cerveau postérieur. La formation réticulaire joue un rôle important dans la régulation du cycle veille/sommeil, de l'excitation, de la vigilance et de l'activité motrice.
La substantia nigra (« substance noire » en latin) et la zone tegmentale ventrale (VTA) sont également situées dans le mésencéphale (Figure 3.24). Les deux régions contiennent des corps cellulaires qui produisent le neurotransmetteur dopamine, et toutes deux sont essentielles au mouvement. La dégénérescence de la substance noire et du VTA est impliquée dans la maladie de Parkinson. De plus, ces structures sont impliquées dans l'humeur, la récompense et la dépendance (Berridge et Robinson, 1998 ; Gardner, 2011 ; George, Le Moal et Koob, 2012).
Que feriez-vous si votre conjoint ou un proche était déclaré mort cérébrale mais que son corps était maintenu en vie grâce à des équipements médicaux ? Qui doit décider de retirer une sonde d'alimentation ? Le coût des soins médicaux devrait-il être un facteur ?
Le 25 février 1990, une femme de Floride nommée Terri Schiavo a fait un arrêt cardiaque, apparemment provoqué par un épisode de boulimique. Elle a finalement été ranimée, mais son cerveau était privé d'oxygène depuis longtemps. Les scintigraphies cérébrales ont indiqué qu'il n'y avait aucune activité dans son cortex cérébral et qu'elle souffrait d'une atrophie cérébrale sévère et permanente. En gros, Schiavo était dans un état végétatif. Les professionnels de la santé ont déterminé qu'elle ne serait plus jamais capable de bouger, de parler ou de réagir de quelque manière que ce soit. Pour rester en vie, elle avait besoin d'une sonde d'alimentation et il n'y avait aucune chance que sa situation s'améliore.
À l'occasion, les yeux de Schiavo bougeaient et parfois elle gémissait. Malgré l'insistance des médecins, ses parents croyaient que c'était là des signes indiquant qu'elle essayait de communiquer avec eux.
Après 12 ans, le mari de Schiavo a fait valoir que sa femme n'aurait pas voulu être maintenue en vie sans sentiments, sensations ou activité cérébrale. Ses parents étaient toutefois très opposés au retrait de sa sonde d'alimentation. Finalement, l'affaire a été portée devant les tribunaux, à la fois dans l'État de Floride et au niveau fédéral. En 2005, les tribunaux se sont prononcés en faveur du mari de Schiavo et la sonde d'alimentation a été retirée le 18 mars 2005. Schiavo est décédé 13 jours plus tard.
Pourquoi les yeux de Schiavo bougeaient-ils parfois et pourquoi gémissait-elle ? Bien que les parties de son cerveau qui contrôlent la pensée, les mouvements volontaires et les sensations aient été complètement endommagées, son tronc cérébral était toujours intact. Sa moelle épinière et son pont lui ont permis de respirer et ont provoqué des mouvements involontaires de ses yeux et des gémissements occasionnels. Au cours de la période de 15 ans pendant laquelle elle a pris une sonde d'alimentation, les frais médicaux de Schiavo ont peut-être dépassé les 7 millions de dollars (Arnst, 2003).
Ces questions ont été portées à la conscience populaire il y a des décennies dans le cas de Terri Schiavo, et elles persistent. En 2013, une jeune fille de 13 ans qui a souffert de complications après une opération aux amygdales a été déclarée en état de mort cérébrale. Il y a eu une bataille entre sa famille, qui voulait qu'elle reste sous assistance respiratoire, et les politiques de l'hôpital concernant les personnes déclarées en état de mort cérébrale. Dans un autre cas complexe survenu au Texas en 2013-2014, une professionnelle de l'EMT enceinte déclarée en état de mort cérébrale a été maintenue en vie pendant des semaines, malgré les directives de son conjoint, qui étaient fondées sur ses souhaits si une telle situation devait se produire. Dans ce cas, les lois des États visant à protéger le fœtus à naître ont été prises en compte jusqu'à ce que les médecins déterminent que le fœtus n'est pas viable.
Les décisions concernant la réponse médicale aux patients déclarés en état de mort cérébrale sont complexes. Que pensez-vous de ces problèmes ?
Imagerie cérébrale
Vous avez appris comment les lésions cérébrales peuvent fournir des informations sur les fonctions de différentes parties du cerveau. Cependant, nous sommes de plus en plus en mesure d'obtenir ces informations à l'aide de techniques d'imagerie cérébrale sur des personnes qui n'ont pas subi de lésion cérébrale. Dans cette section, nous examinons plus en profondeur certaines des techniques disponibles pour l'imagerie du cerveau, y compris les techniques qui reposent sur le rayonnement, les champs magnétiques ou l'activité électrique du cerveau.
Techniques impliquant des rayonnements
La tomographie assistée par ordinateur (TDM) consiste à prendre un certain nombre de radiographies d'une partie particulière du corps ou du cerveau d'une personne (Figure 3.26). Les rayons X traversent des tissus de différentes densités à différentes vitesses, ce qui permet à un ordinateur de construire une image globale de la zone du corps scannée. La tomodensitométrie est souvent utilisée pour déterminer si une personne a une tumeur ou une atrophie cérébrale importante.
Techniques faisant intervenir des champs magnétiques
En imagerie par résonance magnétique (IRM), une personne est placée à l'intérieur d'une machine qui génère un champ magnétique puissant. Le champ magnétique fait bouger les atomes d'hydrogène des cellules du corps. Lorsque le champ magnétique est désactivé, les atomes d'hydrogène émettent des signaux électromagnétiques lorsqu'ils reviennent à leur position initiale. Des tissus de densités différentes émettent des signaux différents, qu'un ordinateur interprète et affiche sur un moniteur. L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) fonctionne selon les mêmes principes, mais elle montre l'évolution de l'activité cérébrale au fil du temps en suivant le débit sanguin et les niveaux d'oxygène. L'IRMf fournit des images plus détaillées de la structure du cerveau, ainsi qu'une meilleure précision dans le temps, que ne le permet la TEP (Figure 3.28). En raison de leur niveau de détail élevé, l'IRM et l'IRMf sont souvent utilisées pour comparer le cerveau de personnes en bonne santé à celui de personnes atteintes de troubles psychologiques. Cette comparaison permet de déterminer les différences structurelles et fonctionnelles qui existent entre ces populations.
Techniques impliquant une activité électrique
Dans certaines situations, il est utile de comprendre l'activité globale du cerveau d'une personne, sans avoir besoin d'informations sur la localisation réelle de l'activité. L'électroencéphalographie (EEG) sert cet objectif en fournissant une mesure de l'activité électrique du cerveau. Un réseau d'électrodes est placé autour de la tête d'une personne (Figure 3.29). Les signaux reçus par les électrodes produisent une impression de l'activité électrique de son cerveau, ou des ondes cérébrales, indiquant à la fois la fréquence (nombre d'ondes par seconde) et l'amplitude (hauteur) des ondes cérébrales enregistrées, avec une précision en quelques millisecondes. Ces informations sont particulièrement utiles aux chercheurs qui étudient les habitudes de sommeil des personnes souffrant de troubles du sommeil.
