Les Neurosciences, science du 21ème siècle
Conférence « Grand Témoin » prononcée le 23 octobre 2007 à l’Institut de France dans le cadre de la réunion de toutes les Académies Européennes.
par Jean Rossier, Membre Associé Etranger de l’Académie des Sciences
Professeur Jean Rossier
Docteur en Médecine, Docteur ès Sciences
Directeur du Laboratoire de Neurobiologie
UMR CNRS-ESPCI
Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris
10 rue Vauquelin, 75005 Paris
Tel 0033 1 40 79 47 58
Courriel jean.rossier@espci.fr
Nos académies européennes se réunissent aujourd’hui pour penser à leur rôle au 21ème siècle. Cette réflexion s’impose car la prise de possession incontrôlée de l’homme sur la planète ne peut durer plus longtemps sans mener à une catastrophe. Le rôle des académies est essentiel pour y parer. En un demi siècle, parallèlement à cette domination de plus en plus néfaste de l’homme sur son milieu, les neurosciences, nouvelle science du cerveau, sont apparues. Il s’agit d’une science encore jeune qui se doit de dire humblement : nos connaissances des mécanismes cérébraux sont encore très parcellaires. L’homme domine le monde et ne sait pas comment fonctionne son cerveau. Quel paradoxe !
La fonction principale de notre cerveau est d’anticiper, de prédire et de contrôler nos actions. C’est le développement harmonieux du cerveau humain qui a permis à l’homme de devenir depuis seulement quelques millénaires l’espèce dominante sur la terre. C’est notre cerveau qui a permis à nos sociétés européennes de créer cette République des Lettres chère à Marc Fumaroli. Il est donc étonnant de constater que cet organe est toujours aussi peu compris et ceci malgré l’explosion de nos connaissances en biologie.
Le cerveau m’a toujours fasciné. Durant mes études médicales à Bruxelles dans les années 60 j’avais été très tenté de devenir neurologue. La beauté de l’exercice du diagnostic neurologique bâti presque exclusivement sur l’observation et l’interrogation du patient et de son entourage me plaisait. Beaucoup d’entre vous ont lu « L’homme qui prenait sa femme pour un chapeau ». Dans ce merveilleux livre de la fin des années 80, le neurologue Oliver Sacks décrit avec un talent littéraire digne d’un romancier des cas cliniques neurologiques. Dans ce livre comme dans la réalité quotidienne de la neurologie de cette époque, la richesse du diagnostic basé sur la sémiologie est souvent en porte à faux avec la pauvreté des interventions thérapeutiques possibles d’alors. Si je ne suis pas devenu neurologue praticien, c’est en partie pour cette raison. Ce ne serait plus le cas aujourd’hui car la neurologie est en train de changer rapidement, l’imagerie cérébrale permet de localiser avec précision les pathologies, l’arsenal pharmacologique s’est considérablement enrichi et la neurochirurgie est devenue beaucoup plus élective et moins traumatisante.
Si je suis devenu neuroscientifique, c’est avec l’espoir de pouvoir contribuer à l’amélioration des traitements des maladies neurologiques. Le terme Neurosciences apparaît en 1962 quand Francis O. Schmitt crée le NRP Neurosciences Research Program au MIT (Massachusetts Institute of Technology). La société des neurosciences américaines voit le jour en 1969, elle compte aujourd’hui 38.000 membres ; la société européenne des neurosciences date de 1975, elle comporte maintenant 18.000 membres. Ces chiffres sont énormes pour des sociétés savantes et traduisent bien l’importance, aujourd’hui dans le monde, des recherches sur le cerveau. Toutes les académies européennes ont des neuroscientifiques réputés dans leurs rangs.
Les neurosciences regroupent toutes les sciences qui s’intéressent au cerveau. Elles sont un effort global pluridisciplinaire qui réunit des biologistes mais aussi des mathématiciens, des physiciens, des chimistes, des médecins et des ingénieurs qui ensemble veulent étudier le cerveau. Pendant longtemps, l’étude du cerveau était sous divisée en disciplines telles que la neurochimie, la neuropharmacologie, la neuropsychologie, la neuroanatomie, la neuroendocrinologie etc. qui se différentiaient par les techniques et méthodes utilisées. Ces distinctions disparaissent avec les neurosciences ; les chercheurs dans ce domaine ne se délimitent plus par des techniques mais plus par les fonctions étudiées.
Je suis aujourd’hui devant vous, Chers Collègues, le témoin de quarante ans de Neurosciences. Il y a quarante ans, si l’on savait que le cerveau humain était constitué de 100 milliards de neurones, que chacun d’eux communiquait en moyenne avec 10.000 autres en construisant des contacts particuliers appelés les synapses, on ignorait tout des mécanismes de ces communications. Les neurones apparaissaient comme des câbles électriques, tous de couleur identique. On supposait que ces câbles véhiculaient deux messages importants, l’inhibition ou l’excitation. Grâce aux travaux menés par les membres de l’Académie Suédoise et particulièrement par Tomas Hokfelt à qui notre Académie des Sciences vient de décerner sa plus haute distinction, la Grande Médaille, la nature des informations chimiques véhiculées par ces câbles a été caractérisée. Les câbles pouvaient alors être associés à des couleurs différentes comme dans nos tableaux électriques. Pendant plusieurs années au Collège de France, avec notre collègue Jacques Glowinski, j’ai participé à ces recherches en caractérisant des messagers chimiques utilisés pour la communication entre neurones. Ensuite aux Etats-Unis, avec Roger Guillemin membre de notre académie, j’ai particulièrement étudié les endorphines, ces morphines produites par notre propre cerveau, importantes non seulement dans la perception de la douleur et son contrôle mais aussi dans beaucoup des mécanismes cérébraux associés au plaisir et aux récompenses. Aussi, si l’on devient toxicomane, c’est que l’application répétée de drogues va modifier durablement les mécanismes cérébraux conduisant à la sensation de plaisir.
C’est alors que je me suis rendu compte pour la première fois de l’importance de la plasticité cérébrale. Tout événement perçu, d’une manière consciente ou inconsciente, change notre cerveau. Il faut le savoir, et c’est le premier message que je souhaite faire passer dans cette conférence : notre cerveau se modifie tous les jours, il est extrêmement plastique. Les premiers neuroanatomistes nous avaient habitués à un cerveau assez immuable avec des circuits qui, une fois installés, changeaient peu. Pourtant la plasticité cérébrale semble infinie. Chaque expérience, consciente ou non, modifie notre circuiterie cérébrale.
Cette plasticité cérébrale est utilisée par nos systèmes de mémoire. Chaque jour de nouveaux souvenirs s’engrangent dans notre cerveau et l’engramme des anciens ne disparaît pas facilement. Un célèbre patient, le mnémoniste du psychologue russe Alexandre Luria était capable de se rappeler des listes de mots ou de chiffres et ceci plus de quinze ans après les avoir vues pour la première fois. La capacité de nos systèmes de mémoire ne semble pas avoir de limites.
Les nouvelles techniques d’imagerie viennent de montrer dans les cinq dernières années que la plasticité cérébrale s’accompagne de modification anatomiquement visible. En voici une démonstration : il y a quelques années une étude d’imagerie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) montrait que les chauffeurs de taxi londoniens avaient une augmentation de la taille de l’hippocampe, la région du cerveau spécialisée dans la mémoire spatiale. Cette observation laissait penser que l’utilisation permanente de la mémoire des rues et des itinéraires avait un retentissement sur la taille de la région cérébrale concernée.
Tout ceci aurait pu rester anecdotique si plus récemment une expérience n’avait démontré clairement que l’apprentissage d’une tâche pouvait engendrer une augmentation de la taille d’une région du cortex. Des sujets d’une vingtaine d’année sans expérience particulière ont appris à jongler. La taille de toutes les régions du cerveau a été mesurée par imagerie RMN et après deux mois d’entraînement on a pu observer qu’une région (V5) du cortex visuel avait augmenté de taille. Cette région située à l’arrière du cerveau est spécialisée dans l’analyse visuelle du mouvement, tâche essentielle pour le jongleur qui doit sans cesse suivre le mouvement de toutes les balles dans l’espace. Trois mois plus tard, les sujets qui avaient arrêté de jongler, voyaient cette région reprendre une taille habituelle. La plasticité cérébrale est visible anatomiquement !
Nous venons de voir que les techniques modernes d’imagerie parviennent à déceler des modifications anatomiques. Elles permettent aussi de voir le cerveau en action. Lorsque vous suivez des yeux un objet qui se déplace, la région visuelle spécialisée dans l’analyse du mouvement va être activée. Les circuits neuronaux locaux vont montrer une plus grande activité électrique visible par les techniques électroencéphalographiques mais aussi par une plus grande perfusion sanguine locale. Toute l’imagerie fonctionnelle moderne est fondée sur la détection d’une augmentation locale de la perfusion sanguine des régions cérébrales activées. Le cerveau a très peu d’énergie en réserve et toute activation cérébrale se traduit par une augmentation de la perfusion sanguine locale.
Ces études sur la consommation sanguine du cerveau montrent que ce dernier consomme énormément d’énergie et ceci sans arrêt même durant le sommeil. Notre cerveau utilise 20% du sang pompé par le coeur alors qu’il ne représente que 2% de la masse du corps. Si la circulation cérébrale est arrêtée pour des brefs instants par pression sur les carotides, la perte de conscience est immédiate. En cas d’arrêt de la pompe cardiaque, tout le travail des équipes de réanimation sera centré sur le rétablissement le plus rapidement possible d’une bonne perfusion cérébrale afin d’éviter une mort cérébrale.
Tout récemment en faisant le bilan de l’énergie consommée, le monde de l’imagerie cérébrale a réalisé, à sa grande surprise, que la quantité d’énergie utilisée pour les tâches conscientes était très faible. Dans le bilan énergétique, au maximum 5% de l’énergie totale seraient consommées pour des activités conscientes, 95% de l’énergie consommée iraient à des tâches inconscientes !
Une explication à cela : la maintenance du cerveau demande beaucoup d’énergie. Pourquoi ? Le cerveau est un organe extrêmement structuré et ordonné; pour garder cet ordre il consomme énormément d’énergie. Cette structuration du cerveau a mis plusieurs années pour se construire. Le cerveau du nouveau-né est complètement immature. Ce n’est qu’au bout de plusieurs années que le contrôle précis du mouvement sera réalisé et que le jeune enfant va acquérir un langage. La société va prendre en charge l’éducation de cet enfant qui va lire, écrire et penser. Le cerveau est maintenant formé, structuré et ordonné. Pour garder toute cette organisation, toute cette mémoire acquise, toutes ces structures anatomiques, les besoins en énergie seraient énormes, comme évoqué précédemment 95% de l’énergie consommée irait aux tâches inconscientes.
Nos structures cérébrales ne seraient jamais au repos. Pour conserver leur connectivité anatomique, les circuits cérébraux seraient sans arrêt en fonctionnement mais d’une manière inconsciente ; Marcus Raichle de l’université Washington de Saint Louis aux Etats-Unis vient de mettre en évidence ce fonctionnement permanent des circuits anatomiques qui ainsi seraient renforcés par une utilisation continue.
Comme l’a écrit Pierre Buser membre de notre académie, l’inconscient possède mille visages : l’inconscient des profondeurs, cet inconscient émotionnel et affectif qui ne doit pas seulement être réservé aux psychanalystes, l’inconscient cognitif qui sous-tend les capacités apparemment sans limites de la mémoire humaine et cet inconscient structurant qui renforce de façon permanente les circuits cérébraux. Les nouvelles méthodes d’imagerie couplées à la psychologie expérimentale de nos collègues Denis Le Bihan et Stanislas Dehaene permettent déjà d’entrouvrir ce monde inconscient aux explorations scientifiques.
Tout ceci est le deuxième point important de cette conférence : le monde de l’inconscient est immense et les neurosciences commencent timidement à l’explorer.
Un mot sur une autre question centrale aux neurosciences : celle posée par la conscience. Francis Crick, le découvreur de la double hélice, aurait aimé à dire qu’en science il faut s’intéresser aux grandes questions et la nature de la conscience en est certainement une. Les dernières années de sa vie, il avait proposé que le Claustrum, une région située profondément au centre du cortex cérébral serait le siège de la conscience. Le Claustrum est une fine lamelle de substance grise qui contient des neurones recevant des projections de l’ensemble des régions corticales et renvoyant des informations à tout le cerveau. L’existence de ce noeud était l’argument principal de Francis Crick pour proposer que le Claustrum soit le siège anatomique de la conscience.
Crick avait cette idée simple, pour étudier une fonction biologique, concentrez vous d’abord sur son anatomie et sa structure. C’est ce qu’il avait fait avec l’ADN : la détermination de la structure de la double hélice d’ADN avait permis en un instant fulgurant d’expliquer sa réplication et ainsi toute la génétique. Courageusement, il voulait faire la même chose pour la conscience. Francis Crick n’était pourtant pas un dualiste séparant l’âme et le corps mais donnait curieusement l’impression de revenir à Descartes. La question de la conscience et de sa localisation est importante mais dans l’état actuel de nos connaissances du fonctionnement du cerveau et de l’inconscient, il me semble très réducteur de vouloir affecter une fonction aussi essentielle à une seule région du cerveau. Un jour peut-être du 21ème ou du 22ème siècle, un neuroscientifique saura parler de la conscience au sein d’une académie dans un langage perceptible à tous les philosophes assis devant lui.
Je voudrais terminer cette revue sur les neurosciences au 21ème siècle en décrivant un domaine de recherche très prometteur, les interfaces cerveau-machine, BMI en anglais pour Brain Machine Interface ou encore BCI pour Brain Computer Interface. Il y a dix ans, qui pouvait espérer que nous construirions aujourd’hui des interfaces qui permettraient d’utiliser l’activité cérébrale pour commander des membres artificiels ? Qui aurait pu croire que les activités électriques enregistrées à la surface du crâne dans les régions de commande motrice du cortex seraient utilisées pour piloter un curseur sur un écran d’ordinateur ? Ces signaux électriques des neurones corticaux sont provoqués par la pensée. Une explication : il suffit de penser à un mouvement pour générer une activité électrique dans la région corticale qui contrôle ce mouvement. La machine, qui sert d’interface, enregistre ensuite ces signaux, les analyse par des algorithmes complexes et les transforme en signaux de commande reliés aux membres artificiels ou aux membres immobilisés des paraplégiques.
Ces recherches font naître trop d’espoir aux malades, aux industriels et aux militaires pour ne pas les mettre tous en garde sur les difficultés qu’ils vont rencontrer et la dizaine d’années d’efforts et d’investissements qu’il va falloir consacrer avant d’arriver aux applications pratiques désirées. Le fauteuil roulant du paraplégique commandé par la seule pensée n’est pas pour demain, ni la machine à écrire mentale qui écrira nos discours, ni la voiture qui se conduit toute seule sans volant, ni l’avion piloté par la seule pensée du pilote. Tout ceci n’est pas de la science-fiction mais bien des problèmes éthiques et techniques devront être résolus avant de rentrer dans le concret des réalisations. Ces programmes de recherche autour de l’interface cerveau-machine représentent la quintessence des recherches pluridisciplinaires en Neurosciences associant mathématique, intelligence artificielle, éthologie, sciences de l’ingénieur, robotique, neurophysiologie et médecine. Ces programmes sont financés principalement par les militaires américains. Il existe un premier programme en France, celui piloté à Grenoble par notre collègue Alim Benabid. Nos académies pourraient intervenir pour que ces programmes se développent plus en Europe !
J’aimerais maintenant partager quelques idées sur ce que nos académies pourraient faire pour que la science en Europe se porte mieux. Il faut d’abord la financer plus généreusement. Il faut ensuite favoriser l’émergence des jeunes équipes sans fixer de thèmes de recherche précis. Il faut financer les recherches les plus originales en n’imposant aucun carcan administratif ni influence de la culture industrielle du court ou du moyen terme. La première initiative de l’European Research Council (ERC) présidé par notre collègue Fotis Kafatos qui va parler cet après-midi répond exactement à ce besoin. Dans le domaine des neurosciences, le premier appel d’offres du printemps dernier a été un succès sans précédent, 950 jeunes équipes ont déposé un projet. Il y a donc en Europe au moins 950 groupes de jeunes neuroscientifiques capables de proposer des programmes de recherche. Malheureusement, seules 16 de ces demandes pourront être financées cette année, ce qui donnera un taux de réussite de moins de 2%.
Que faut-il faire alors ? Simplement revoir les priorités prévues dans les programmes cadres européens ? Redistribuer plus de moyens aux programmes de l’ERC et moins aux programmes qui imposent le mariage, parfois forcé, de la recherche industrielle avec la recherche académique ? Il est illusoire de penser que des programmes qui fédèrent une vingtaine de laboratoires vont donner une plus grande compétitivité aux entreprises européennes. Il faut arrêter de vouloir faire l’Europe de la science avec la seule idée que la science va renforcer la compétitivité de nos entreprises. Il est vrai que la recherche industrielle est essentielle pour préparer l’avenir de nos entreprises et il faut inciter nos industriels à y consacrer plus de moyens. Mais, comme le dit souvent Gérard Le Fur, membre de notre compagnie et Directeur Général de Sanofi-Aventis, cette recherche industrielle ne pourra s’épanouir que si la recherche académique européenne reste forte. Ce n’est pas en répétant à nos savants et chercheurs que la science doit doper la compétitivité de nos entreprises que par enchantement toute la recherche européenne va se transformer en unité de profit.
Les recherches finalisées sont très utiles quand leur programmation est claire et fluide et quand la répartition du travail entre plusieurs groupes est possible. Dans le cas de maladies neurologiques, cette programmation est beaucoup plus difficile. Comment construire un programme de recherche finalisé dans un domaine dont nous ne connaissons que peu de choses ? Cette particularité doit être prise en compte dans le cadre des grands programmes nationaux et européens sur la maladie d’Alzheimer. Les chercheurs pour trouver le médicament ou le vaccin qui va nous protéger contre cette maladie neurodégénérative ont besoin de liberté. Ce qu’il faut encourager ce sont toutes les recherches en neurosciences qui pourront déboucher, peut-être par hasard, sur une avancée magistrale pour comprendre et traiter la maladie d’Alzheimer. Je ne peux, dans ce domaine, qu’encourager tous les pays européens à laisser les savants libres d’orienter leur recherche dans la direction qu’ils estiment la plus originale.
Au fil de cette conférence, j’ai décrit ce que je crois être important aujourd’hui dans les neurosciences. En quarante ans, cette science a atteint sa maturité et se prépare à une croissance harmonieuse tout au long de ce 21ème siècle. Elle découvre aujourd’hui qu’elle est assez nue car restée trop longtemps assujettie aux concepts expérimentaux de la génétique moléculaire, un gène, une molécule, un comportement, une maladie…Les neurosciences redécouvrent que la construction du cerveau est une affaire complexe qui demande la coopérativité de milliers de gènes mais plus encore de facteurs extérieurs qui vont moduler l’expression de ces gènes. Ces facteurs extérieurs vont façonner notre cerveau tout au long du développement in utero mais plus encore durant les premières années de la vie. Pour se construire, le cerveau à la différence de tous les autres organes a besoin d’être nourri, protégé et éduqué pendant au moins quinze ans par un environnement familial et social stimulant et généreux. A une époque ou l’on parle beaucoup de la génétique et moins de la place de l’éducation, la lente construction du cerveau démontre l’importance de l’acquis tout autant que celle de l’inné.
Je termine sur une note personnelle. Oui, grand témoin de 40 ans de neurosciences, j’ai fait le bon choix en 1967. Oui, la science me rend heureux! Oui, la science est source de bonheur, avec ce qu'il faut d'interrogation et de frustration pour entretenir le désir. La science est un espace infini de liberté !