Structure

Au niveau macroscopique, le cervelet consiste en une couche particulièrement repliée sur elle-même du cortex, qui recouvre une substance blanche enveloppant elle-même plusieurs noyaux profonds, avec un ventricule rempli de liquide à sa base. À un niveau intermédiaire, le cervelet et ses structures auxiliaires peuvent être décomposés en plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de modules fonctionnant indépendamment les uns des autres, appelés « microzones » ou « microcompartiments ». Au niveau microscopique, chaque partie de ce cortex cérébelleux consiste en un même petit ensemble de neurones, disposés selon une géométrie fortement stéréotypée.

Anatomie

Coupe sagittale du cervelet humain, montrant la classification des différents plis du cortex, ainsi que les structures internes

Le cervelet est situé tout en bas du cerveau, sous la masse imposante du cortex cérébral, et en face de la portion du tronc cérébral appelée Pont^[3]. Il est séparé du cortex cérébral qui le surplombe par une couche de dure-mère ; toutes ses connexions avec d'autres parties du cerveau transitent par le pont. Les anatomistes classent le cervelet comme appartenant au métencéphale, qui comprend également le pont ; le métencéphale est lui-même la partie la plus haute du rhombencéphale.

Comme le cortex cérébral, le cervelet est divisé en deux hémisphères. Il comprend également une étroite zone centrale appelée vermis. Par convention, la structure globale est divisée en dix « lobules » plus petits, chacun étant un large ensemble de replis. Du fait de son grand nombre de minuscules cellules granulaires, le cervelet contient 3,6 fois ^[4] plus de neurones que le néocortex, mais il ne représente que 10 % du volume total du cerveau^[5].

L'apparence inhabituelle de la surface du cervelet masque le fait que la plus grande partie de son volume est constituée d'une couche de matière grise fortement repliée sur elle-même, le cortex cérébelleux. On estime que si l'on dépliait complètement le cortex cérébelleux humain, on obtiendrait une couche de tissu neuronal d'environ 1 mètre de long pour 5 centimètres de largeur moyenne, soit une surface totale de près de 500 cm², entassée dans un volume de dimensions 6 cm × 5 cm × 10 cm^[5]. Sous la matière grise du cortex se trouve la substance blanche, constituée majoritairement de fibres nerveuses myélinisées partant du cortex ou allant vers celui-ci. Elle est parfois appelée l'arbor vitae, en référence à son apparence, ressemblant à un arbre en coupe sagittale. Quatre noyaux cérébelleux profonds, composés de matière grise, sont enfoncés dans cette substance blanche^[6].

Subdivisions

Sur la base de l'apparence de la surface, on peut distinguer trois lobes dans le cervelet :

• le lobe flocculo-nodulaire ;
• le lobe antérieur (au-dessus du sillon primaire) ;
• et le lobe postérieur (en dessous du sillon primaire).

Chez l'humain, ces lobes divisent le cervelet de haut en bas. En termes de fonction cependant, la distinction est plus importante le long du sillon postéro-latéral. En laissant de côté le lobe flocculo-nodulaire, qui a des fonctions et des connexions distinctes, le cervelet peut être séparé fonctionnellement en un secteur médian appelé spinocerebellum, et un secteur latéral plus large appelé cerebrocerebellum^[6]. L'étroite bande de tissu protubérant le long de la ligne médiane est appelée vermis^[6].

Cervelet et régions voisines ; vue sagittale d'un hémisphère. A : Mésencéphale. B : Pont (système nerveux). C : Moelle allongée. D : Moelle épinière. E : Quatrième ventricule. F : lamelles du cortex cérébelleux. G : Tonsille (amygdale) cérébelleuse. H : Lobe antérieur. I : Lobe postérieur.

Représentation schématique des subdivisions anatomiques majeures du cervelet. Vue supérieure d'un cervelet «déroulé».

La plus petite région, le lobe flocculo-nodulaire, est souvent appelée vestibulocerebellum ou archéocervelet. C'est la partie la plus ancienne, d'un point de vue évolutif, et elle participe principalement à l'équilibre et à l'orientation spatiale. L'archéocervelet fait ses connexions primaires avec le noyau vestibulaire, bien qu'il reçoive également des signaux visuels et d'autres afférences sensorielles. Des dommages à l'archéocervelet provoquent des troubles de l'équilibre et de la démarche^[6].

La région médiane des lobes antérieurs et postérieurs constitue le spinocerebellum, également connu sous le nom de paléocervelet. Ce secteur du cervelet agit surtout en ajustant précisément les mouvements du corps et des membres. Il reçoit des messages de proprioception en provenance des colonnes dorsales de la moelle épinière et du nerf trijumeau, ainsi que des systèmes visuel et auditif. Le paléocervelet envoie des fibres aux noyaux cérébelleux profonds qui, à leur tour, projettent leurs axones sur le cortex cérébral comme sur le tronc cérébral, faisant ainsi office de modulation du système moteur descendant^[6].

La région latérale, majoritaire chez l'humain, constitue le cerebrocerebellum, ou néocervelet. Il reçoit des signaux provenant exclusivement du cortex cérébral (particulièrement du lobe pariétal) via les noyaux dentelés (formant les voies cortico-ponto-cérébelleuses), et envoie des messages principalement vers le thalamus ventrolatéral (connecté à son tour aux aires motrices du cortex prémoteur et à l'aire motrice primaire du cortex cérébral) et le noyau rouge^[6]. Il y a un désaccord entre les spécialistes à propos des fonctions du néocervelet : on le pense impliqué dans la planification des mouvements en préparation^[7], dans l'évaluation des informations sensorielles dans l'intérêt de l'action^[6], aussi bien que dans nombre de fonctions purement cognitives^[8].

Composants cellulaires

Microcircuit du cervelet. (+) : excitateur ; (-) : inhibiteur ; MF : Fibre moussue ; DCN : Noyaux cérébelleux profonds ; IO : Noyau olivaire inférieur ; CF : Fibre grimpante ; GC : Cellule granulaire ; PF : Fibre parallèle ; PC : Cellule de Purkinje ; GgC : Cellule de Golgi ; SC : Cellule en étoile ; BC : Cellule en corbeille.

Coupe transversale d'un folium du cervelet, montrant les principaux types de cellules et leurs connexions.

Deux types de neurones jouent un rôle dominant dans le circuit cérébelleux : les cellules de Purkinje et les cellules granulaires. Trois types d'axones jouent également un rôle prépondérant : les fibres parallèles (les axones des cellules granulaires), les fibres moussues et les fibres grimpantes (qui entrent dans le cervelet par l'extérieur). Il existe deux voies principales de signalisation à travers le cervelet, une provenant des fibres moussues et l'autre des fibres grimpantes. Ces deux voies se terminent au niveau des noyaux cérébelleux profonds.

Certaines fibres moussues se projettent directement dans les noyaux profonds et d'autres donnent lieu à la voie :

fibres moussues → cellules granulaires → fibres parallèles → cellules de Purkinje → noyaux profonds.

Les fibres grimpantes font synapse avec les cellules de Purkinje, mais envoient également des prolongements collatéraux directement vers les noyaux profonds^[5]. Chacun des signaux issus de fibres moussues ou de fibres grimpantes porte des informations spécifiques à cette fibre. Le cervelet reçoit également des inputs dopaminergiques, sérotoninergiques, noradrénalinergiques et cholinergiques, qui assurent vraisemblablement une neuromodulation globale^[9].

Le cortex cérébelleux est divisé en trois couches :

• à sa base, se trouve la couche granulaire, épaisse et densément remplie de cellules granulaires accompagnées d'interneurones, principalement des cellules de Golgi mais aussi des cellules de Lugaro et des cellules unipolaires à brosse ;
• la couche intermédiaire est celle de Purkinje, une zone étroite qui contient uniquement les corps cellulaires des cellules de Purkinje ;
• la couche la plus externe est la couche moléculaire, qui contient l'arbre dendritique aplati des cellules de Purkinje, ainsi qu'un large éventail de fibres parallèles qui pénètrent perpendiculairement les arbres dendritiques des cellules de Purkinje. Cette couche extérieure du cortex cérébelleux contient également deux types de cellules inhibitrices : les cellules en étoile, et les cellules en corbeille. Ces deux types de cellules forment des synapses GABA-ergiques avec les dendrites des cellules de Purkinje^[5].

Cellules de Purkinje

Dessin d'une cellule de Purkinje du cervelet de chat.

Les cellules de Purkinje font partie des neurones les plus faciles à reconnaitre du système nerveux. Ce sont ainsi les premiers spécimens neuronaux à avoir été décrits, la première fois par l'anatomiste tchèque Jan Evangelista Purkinje en 1837. Elles sont caractérisées par la forme de leur arbre dendritique : les branches dendritiques sont abondantes, mais sont sévèrement aplaties dans un plan perpendiculaire au repli du cortex cérébelleux. Les dendrites des cellules de Purkinje forment ainsi un réseau plan très dense, au travers lequel passent perpendiculairement les fibres parallèles^[5]. Leurs dendrites sont couvertes d'épines dendritiques, chacune d'elles formant une synapse avec une fibre parallèle. Les cellules de Purkinje forment davantage de synapses que n'importe quel autre type de cellule dans le cerveau - on estime que le nombre d'épines dendritiques sur une seule cellule de Purkinje humaine peut monter jusqu'à 200 000^[5].

Les corps cellulaires des cellules de Purkinje, larges et sphériques, sont serrés dans une étroite couche (d'une seule cellule d'épaisseur) du cortex cérébelleux, appelée couche de Purkinje. Après avoir émis des collatérales qui vont innerver les proches régions du cortex, leurs axones atteignent les noyaux cérébelleux profonds, où chacun d'entre eux réalise environ 1 000 contacts avec différents types de cellules nucléaires, tous dans une zone restreinte. Les cellules de Purkinje utilisent le GABA comme neurotransmetteur, et exercent ainsi une action inhibitrice sur les cellules cibles^[5].

Les cellules de Purkinje forment le cœur du circuit cérébelleux, et leur large taille ainsi que leurs patterns d'activité particuliers ont rendu relativement aisée l'étude de leurs réponses stéréotypées chez des animaux vigiles par des techniques d'enregistrement extracellulaire. Les cellules de Purkinje émettent normalement des potentiels d'action à une fréquence élevée, même en l'absence d'influx synaptique entrant. Chez des animaux vigiles et éveillés, les fréquences moyennes typiques avoisinent les 40 Hz. Les trains de potentiels d'action résultent d'un mélange de ce que l'on appelle des potentiels simples et complexes :

• le potentiel d'action simple est unique et peut survenir à des intervalles aussi courts que 3-5 millisecondes (voir par ex. figure 3 dans ^[10]) ;
• le potentiel d'action complexe est une séquence stéréotypée de plusieurs potentiels d'action séparés par un intervalle de temps très bref et une faible baisse d'amplitude.

Des études physiologiques ont montré que les potentiels d'action complexes (qui surviennent à des fréquences comprises entre 1 et 10 Hz, rarement plus) sont très vraisemblablement toujours consécutifs à l'activation d'une fibre grimpante, tandis que les potentiels d'action simples sont produits par une combinaison d'une activité de base avec l'entrée d'un signal provenant d'une fibre parallèle. Les potentiels d'action complexes sont souvent suivis d'une pause de plusieurs centaines de millisecondes, pendant laquelle toute activité de potentiel simple est supprimée^[11].

Cellules granulaires

Cellules granulaires, fibres parallèles, et cellules de Purkinje avec des arbres dendritiques aplatis

Contrairement aux cellules de Purkinje, les cellules granulaires du cervelet sont parmi les plus petits neurones du cerveau. Ce sont également, et de loin, les neurones les plus nombreux de tout le cerveau : on estime que leur nombre total chez l'humain atteint environ 50 milliards, ce qui signifie que ces cellules représentent à elles seules trois quarts des neurones cérébraux^[5]. Leurs corps cellulaires sont serrés dans une épaisse couche, en bas du cortex cérébelleux. Une cellule granulaire n'émet que quatre dendrites, chacune d'elles se terminant par un élargissement. C'est au niveau de ces élargissements que la cellule Granulaire reçoit des synapses excitatrices des fibres moussues et des synapses inhibitrices des cellules de Golgi.

Les axones fins et non myélinisés des cellules granulaires s'élèvent verticalement jusqu'à la couche la plus haute du cortex cérébelleux, la couche moléculaire, où ils se divisent en deux, chaque branche progressant horizontalement pour former une fibre parallèle ; la séparation de l'axone vertical en deux branches horizontales donne lieu à une forme en T caractéristique. Une fibre parallèle se prolonge d'environ 3 mm dans les deux directions à partir du point de séparation, pour une longueur totale de près de 6 mm, soit 1/10 de la largeur totale de la couche corticale^[5]. Le long de cette distance, les fibres parallèles traversent les arbres dendritiques des cellules de Purkinje et établissent des synapses avec 1/3 à 1/5 d'entre elles, formant au total 80 à 100 synapses avec les épines dendritiques de diverses cellules de Purkinje^[5]. Les cellules granulaires utilisent le glutamate comme neurotransmetteur, et exercent par conséquent une action excitatrice sur les cellules cibles.

Les cellules granulaires reçoivent tous leurs signaux des fibres moussues, mais surpassent celles-ci en nombre (proportion de 200 pour 1 chez l'humain). Ainsi l'information qui circule dans la population de cellules granulaires en activité est identique à l'information véhiculée par les fibres moussues, mais encodée d'une manière plus «expansive». À cause de la petite taille et de la densité des cellules granulaires, il a été très difficile d'enregistrer leur émission de potentiels d'action chez l'animal vigile, de sorte que nous ne disposons que de peu de données pour établir des théories. La conception la plus célèbre de leur fonction a été proposée par David Marr, qui a suggéré que les cellules granulaires pourraient encoder des combinaisons de signaux en provenance de diverses fibres moussues. L'idée est que chaque cellule granulaire ne reçoit des signaux que de 4 ou 5 fibres moussues, et ne répond que si plus d'un signal lui parvient. Ce schéma de codage combinatoire pourrait potentiellement permettre au cervelet de faire des distinctions plus fines entre les patterns d'information que ce que permettraient les fibres moussues seules^[12].

Noyaux profonds

Coupe sagittale du cervelet humain, montrant le noyau dentelé, le Pont (système nerveux) et le noyau olivaire inférieur

Les noyaux profonds du cervelet sont des grappes de matière grise enchâssées dans la substance blanche au cœur du cervelet. Ce sont, à l'exception des noyaux vestibulaires et du noyau parabrachial qui recoivent directement des projections des cellules de Purkinje, les uniques sources d'efférences du cervelet. Ces noyaux reçoivent des projections collatérales des fibres parallèles et des fibres grimpantes, aussi bien que des signaux inhibiteurs des cellules de Purkinje du cortex cérébelleux. Chacun des trois noyaux (dentelés, interposés, fastigiaux) communique avec différentes régions du cerveau et du cortex cérébral. Les noyaux fastigiaux et interposés (globuleux et emboliformes) appartiennent au paléocervelet. Les noyaux dentelés, qui chez les mammifères sont beaucoup plus larges que les autres, sont formés d'une fine couche de matière grise en circonvolutions, et communiquent exclusivement avec les régions latérales du cortex cérébelleux. L'archéocervelet avec le lobe flocculo-nodulaire est la seule partie du cortex cérébelleux qui n'a pas d'efférence vers les noyaux profonds, mais vers les noyaux vestibulaires^[5].

La majorité des neurones des noyaux cérébelleux profonds ont de larges corps cellulaires, des arbres dendritiques sphériques avec un rayon d'environ 400 µm, et utilisent le glutamate comme neurotransmetteur. Ces cellules se projettent vers un large éventail de cellules hors du cervelet. Une petite population de neurones de projection des noyaux cérébelleux utilise la glycine comme neurotransmetteur. Accompagnant ces neurones, un nombre moins élevé de petites cellules utilisent le GABA comme neurotransmetteur, et se projettent soit uniquement au sein des noyaux cérébelleux (interneurones), soit vers le noyau olivaire inférieur, la source des fibres grimpantes. Ainsi, les projections du noyau olivaire exercent une rétroaction inhibitrice pour contrebalancer l'action excitatrice des fibres grimpantes sur les noyaux. Certaines données tendent à prouver que chaque petite grappe de cellules nucléaires projette vers la même grappe de cellules du noyau olivaire qui lui envoient des fibres grimpantes^[5].

Lorsque l'axone d'une cellule de Purkinje pénètre l'un des noyaux profonds, il se ramifie pour entrer en contact à la fois avec des cellules larges et petites, le nombre total de cellules contactées avoisinant 35 (chez le chat). À l'inverse, chaque cellule nucléaire profonde forme environ 860 connexions avec autant de cellules de Purkinje (à nouveau chez le chat)^[5].

Compartimentation

Illustration schématique de la structure des zones et des microzones dans le cervelet

Dans une étude anatomique grossière, le cortex cérébelleux apparaît comme une feuille homogène de tissu neuronal ; dans une étude anatomique détaillée, tous les morceaux de cette feuille semblent présenter la même structure interne. Il y a cependant un certain nombre de points pour lesquels la structure du cervelet est compartimentée. On trouve des compartiments larges, appelés «zones», que l'on peut décomposer en plusieurs compartiments plus petits que l'on appelle « microzones »^[13].

Les premiers indices de la compartimentation de la structure du cervelet sont venus d'études sur les champs récepteurs des cellules dans différentes régions du cortex cérébelleux^[13]. Chaque partie du corps correspond à des points spécifiques dans le cervelet, mais la carte de base se répète de nombreuses fois, en formant une organisation appelée « somatotopie fracturée »^[14]. Un indice plus explicite de la compartimentation est obtenu par un immunomarquage du cervelet affectant uniquement certaines protéines. Les plus connus de ces marqueurs sont les « zébrines », appelées ainsi parce que leur utilisation donne naissance à un motif très particulier rappelant les rayures d'un zèbre. Ces rayures provoquées par les zébrines (ainsi que les autres marqueurs de la compartimentation) sont orientées perpendiculairement aux replis du cervelet — c'est-à-dire qu'on en trouve en bandes étroites dans la direction médiolatérale, et en bandes beaucoup plus étendues dans la direction longitudinale. Différents marqueurs génèrent différents ensembles de rayures, et les dimensions des rayures varient en fonction de leur localisation, mais on retrouve une forme similaire à chaque fois^[13].

À la fin des années 1970, Oscarsson suggéra que ces zones corticales pouvaient être découpées en plusieurs unités plus réduites, appelées microzones^[15]. Plusieurs caractéristiques permettent de définir une microzone:

• La définition initiale d'une microzone est un groupe de cellules de Purkinje partageant un même champ récepteur somatotopique. Cette définition n'a de sens que dans les régions du cervelet pourvue d'entrées somato-sensorielles. Chaque microzone comprend environ 1 000 cellules de Purkinje, disposées dans une rayure longue et étroite, orientées perpendiculairement aux replis du cervelet^[13]. Ainsi, les dendrites des cellules de Purkinje sont aplaties dans la même direction au fur et à mesure de l'extension de la microzone, tandis que les fibres parallèles les croisent à angle droit.

• Une deuxième caractéristique des microzones concerne l'innervation des cellules de Purkinje. Au sein d'une microzone, l'innervation provient de fibres grimpantes en provenance de petit groupes de cellules du noyau olivaire inférieur. Les branches d'une fibre grimpante (au nombre de 10 environ) innervent habituellement les cellules de Purkinje appartenant à une même microzone. De plus, les neurones olivaires qui envoient des fibres grimpantes vers une même microzone ont tendance à être unis par des jonctions communicantes, qui synchronisent leur activité et entraînent les cellules de Purkinje à manifester une émission coordonnée de potentiels d'action complexes à l'échelle de la milliseconde^[13]. Par ailleurs, les axones des cellules en corbeille sont beaucoup plus longs dans la direction longitudinale que dans la direction médiolatérale, les cantonnant à une seule microzone^[13]. La conséquence principale de cette structure est que les interactions cellulaires sont bien plus intenses à l'intérieur d'une microzone qu'entre plusieurs microzones.
• Une troisième caractéristique des microzones concerne les projections des cellules de Purkinje. Les cellules de Purkinje appartenant à une même microzone envoient leurs axones vers une même grappe des cellules efférentes dans les noyaux cérébelleux profonds^[13].

En 2005, Richard Apps et Martin Garwicz ont récapitulé les preuves que les microzones elles-mêmes ne sont qu'une partie d'une entité plus importante, qu'ils nomment un microcomplexe microzonal. Un tel microcomplexe englobe plusieurs microzones corticales spatialement séparées, qui toutes se projettent vers le même groupe de noyaux cérébelleux profonds, ainsi qu'un groupe de neurones olivaires couplés qui émettent leurs axones vers les microzones corticales incluses aussi bien que vers la zone des noyaux profonds formant ainsi des boucles imbriquées ^[13].

Afférences

• Afférences moussues :
  • afférences spinales : Faisceaux spino-cérébelleux dorsal, spino-cérébelleux ventral, spino-cérébelleux rostral, et cunéocérébelleux ;
  • afférences réticulaires : noyaux réticulaires latéral, paramédian, tegmental pontique ;
  • afférences pontiques : noyaux pontiques, raphé, trigeminal, péri-hypoglossiens, du tractus solitaire, du vague, vestibulaires et parabracchial ;
  • afférences mésencéphaliques : colliculi inférieurs et supérieurs ;
  • afférences diencéphaliques : hypothalamus, pallidum.

Les noyaux pontiques situés dans la région ventrale de la protubérance (basis pontis) forment les principaux relais des afférences corticales vers le cervelet. Ces afférences comprennent, chez le singe, des faisceaux issus des cortex sensori-moteur et prémoteur, ainsi que des faisceaux « associatifs » : prefronto-pontique (aires de Brodmann 8A, 9, 10, 45B, 46, 32), temporo-pontique (la berge supérieure du sillon temporal supérieur), pariéto-pontique (lobules pariétaux supérieur et inférieur), para-hippocampo-pontique, occipito-pontique (région parastriée), et cingulo-pontique (aires 23, 24, 25, 35 et cortex rétrosplénial)^[16].

• Afférences « grimpantes » :
  • olive bulbaire principale et olives accessoires médiale et caudales.

L'olive bulbaire reçoit des afférences multiples via le faisceau cortico-bulbaire (cortex moteur), via le faisceau tegmental central (notamment la partie parvocellulaire du noyau rouge), via les noyaux cérébelleux profonds et via le faisceau spino-olivaire. Le noyau de l'olive bulbaire participe ainsi à une boucle cérébello-rubro-olivo-cérébelleuse dont le fonctionnement est modulé principalement par les projections corticales. Les fibres grimpantes se terminent sur les troncs primaires et secondaires des cellules de Purkinje, du côté opposé.

Les neurones olivaires présentent une oscillation endogène de leur potentiel membranaire à une fréquence d'environ 10 Hz, et la survenue des potentiels d'action coïncide avec le maximum d'amplitude de ces oscillations^[17]. L'activité de plusieurs neurones olivaires peut être synchronisée par des jonctions communicantes au niveau de leurs dendrites^[18]. À l'opposé, les projections GABAergiques des noyaux cérébelleux concourent à désynchroniser le fonctionnement de ces neurones^[19]. L'activité de ces «agrégats» de neurones olivaires permettrait de séquencer dans le temps l'activité des cellules de Purkinje en définissant des fenêtres d'activation^[20].

Efférences

• des noyaux fastigiaux :
  • faisceau unciné cheminant dans le pédoncule cérébelleux supérieur controlatéral et se terminant au niveau: de la formation réticulée, du raphé, des noyaux pontiques, des noyaux vestibulaires, de l'hypothalamus et du thalamus ;
  • faisceau fastigio-bulbaire direct cheminant dans le pédoncule cérébelleux inférieur ipsi-latéralement et se terminant sur les noyaux vestibulaires, olivaires accessoires, et la formation réticulée ;
  • faisceau fastigio-spinal : se terminant sur des motoneurones cervicaux contro-latéraux ;
• des noyaux interposés :
  • faisceau principal cheminant dans le pédoncule cérébelleux supérieur, décussant dans le tegmentum mésencéphalique ventral et bifurquant en une branche ascendante vers la partie magnocellulaire du noyau rouge, l'hypothalamus et le thalamus, et une branche descendante vers le noyau réticulaire tegmental pontique, les olives bulbaires accessoires et des interneurones médullaires ;
• des noyaux dentelés :
  • faisceau principal cheminant dans le pédoncule cérébelleux supérieur, décussant dans le tegmentum mésencéphalique ventral et bifurquant en une branche ascendante vers la partie parvocellulaire du noyau rouge, l'hypothalamus, la zona incerta et le thalamus, et une branche descendante vers le noyau réticulaire tegmental pontique, et l'olive bulbaire principale ;
    • faisceau dentato-spinal : faisceau polysynaptique dont une partie fait relais dans la formation réticulée^[21].

Les noyaux cérébelleux profonds se projettent aussi sous forme de fibres moussues glutaminergiques ou, moins densément, GABAergiques sur les grains.

Les noyaux thalamiques recevant des projections cérébelleuses comprennent chez le singe: les noyaux ventro-postéro-latéral oral, ventro-latéral caudal, X, dorso-médian et intralaminaire (paracentral)^[22].

Par l'intermédiaire du thalamus, le cervelet se connecte, chez le singe, aux cortex moteur (aire 4), prémoteur (aire 6 incluant l'aire motrice supplémentaire), pariétal (aire 7) et préfrontal (aires 8, 9 latérale et médiane et 46 dorsale)^[23]. Les voies cérébello-préfrontales sont issues de la région ventrale du noyau dentelé.

Principes

Les relatives simplicités et régularités de l'anatomie du cervelet ont mené à un premier espoir qu'elles pouvaient impliquer une simplicité comparable au niveau de la fonction computationnelle, comme il est dit dans l'un des premiers ouvrages sur l'électrophysiologie du cervelet, The Cerebellum as a Neuronal Machine (« Le cervelet comme une machine neuronale »), écrit conjointement par John Eccles, Masao Ito et Janos Szentágothai^[26]. Bien que la compréhension totale de la fonction du cervelet nous échappe encore, quatre principes ont été identifiés comme primordiaux : (1) le traitement par contrôle en boucle ouverte, (2) la divergence et la convergence, (3) la modularité et (4) la plasticité.

Apprentissage

On dispose de fortes preuves que le cervelet joue un rôle important dans certains types d'apprentissages moteurs. Les tâches où le cervelet entre le plus clairement en action sont celles dans lesquelles il est nécessaire de procéder à un ajustement précis de la manière d'exécuter une action. Il y a eu cependant de nombreux litiges, pour savoir si l'apprentissage se déroulait dans le cervelet lui-même, ou si ce dernier servait davantage à émettre des signaux qui favorisaient l'apprentissage dans d'autres structures du cerveau^[28]. La plupart des théories qui associent l'apprentissage aux circuits du cervelet d'idées originales de David Marr et James Albus, qui postulèrent que les fibres grimpantes émettent un signal professeur qui induit une modification dans les synapses entre les fibres parallèles et les cellules de Purkinje^[29]. Marr supposa que le signal des fibres grimpantes provoque un renforcement des signaux issus de l'activation synchrone des fibres parallèles. Les modèles plus récents de l'apprentissage dans le cervelet ont cependant présumé à la suite d'Albus que l'activité des fibres grimpantes marque un signal d'erreur, et provoquerait un affaiblissement des signaux issus de l'activation synchrone des fibres parallèles. Quelques-uns de ces modèles tardifs, comme le modèle du «Filtre adaptatif» de Fujita^[30], ont tenté de comprendre la fonction du cervelet à travers la théorie du contrôle optimal.

L'idée que l'activité des fibres grimpantes fonctionne comme un signal d'erreur a été examiné dans de nombreuses études expérimentales, certaines y étant favorables, d'autres plus réservées^[11]. Dans une étude pionnière de Gilbert et Thach en 1977, les cellules de Purkinje de singes en plein apprentissage montraient une émission élevée de potentiels d'action complexes pendant les périodes où la performance du singe était médiocre^[31]. Plusieurs études sur l'apprentissage moteur chez le chat ont montré qu'il y avait une émission de potentiels d'action complexes lorsque le mouvement exécuté ne correspondait pas au mouvement voulu. Les études sur le réflexe vestibulo-oculaire (qui stabilise l'image sur la rétine quand on tourne la tête) ont trouvé que l'activité des fibres grimpantes indique un « glissement rétinien », mais pas de manière directe^[11]. Les études du réflexe optokinétique (qui permet de suivre du regard une cible mobile) ont montré que l'occurrence d'une décharge de la fibre grimpante lors d'un test du réflexe modifie la décharge des cellules de Purkinje ainsi que le réflexe lors du test suivant, ce qui soutient l'idée que la fibre grimpante induit une plasticité et un apprentissage moteur^[32]. Toutefois, d'autres expériences montrent une activation de la fibre grimpante indépendante de l'erreur, par exemple en réponse à un simple stimulus sensoriel ou même à la réception d'une récompense attendue, ce qui limite le caractère universel de la théorie du message d'erreur porté par la fibre grimpante.

L'une des tâches d'apprentissage cérébelleux les plus largement étudiées est le paradigme du conditionnement du clignement des paupières, dans lequel un stimulus neutre conditionnel (SC) tel qu'une lumière ou une tonalité est répétitivement associé avec un stimulus inconditionnel (SI), comme un jet d'air, qui provoque un clignement des paupières en réponse. Après de telles présentations répétées du SC et du SI, le SC provoquera finalement un clignement des paupières avant même l'arrivée du SI : c'est ce que l'on appelle une réponse conditionnelle (RC). Les expériences ont montré que des lésions localisées dans une région spécifique du noyau interposé (un des noyaux cérébelleux profonds) ou à certains points spécifiques du cortex cérébelleux peuvent abolir l'apprentissage d'une réponse des paupières correctement synchronisée. Si les efférences du cervelet sont pharmacologiquement inactivées tandis que les afférences et les circuits intracellulaires restent intactes, l'apprentissage aura lieu même si l'animal échoue à montrer une quelconque réponse, alors que si les circuits intracellulaires sont perturbés, aucun apprentissage n'a lieu — ces faits pris ensemble constituent un argument de poids en faveur du fait que l'apprentissage s'effectue dans le cervelet^[33].

Théories et modèles computationnels

La grande base de données sur l'anatomie et les fonctions comportementales du cervelet en a fait un terrain fertile pour la théorisation — il y a probablement davantage de théories sur la fonction du cervelet que sur n'importe quelle autre partie du cerveau. La distinction la plus simple que l'on puisse faire entre celles-ci les sépare entre les « théories de l'apprentissage » et les « théories de l'action » — c'est-à-dire entre les théories qui utilisent la plasticité synaptique du cervelet pour expliquer son rôle dans l'apprentissage, et celles qui rendent compte de certains aspects d'un comportement en cours sur la base du traitement du signal dans le cervelet. Plusieurs théories de chaque type ont été mises sous la forme de modèles mathématiques qui ont été simulés sur ordinateur^[29].

La première des « théories de l'action » fut peut-être l'hypothèse de la « ligne à retard » de Valentino Braitenberg. La théorie initiale mise en avant par Braitenberg et Atwood en 1958 suggérait que la propagation lente des signaux le long des fibres parallèles impose des retards prévisibles qui permettent au cervelet de déterminer les relations temporelles entre les signaux dans un certain cadre^[34]. Les données expérimentales ne confirmèrent pas cette première théorie, mais Braitenberg continua de plaider pour des versions modifiées^[35]. Ce modèle est peu compatible avec l'organisation modulaire du cervelet qui est maintenant largement acceptée. L'hypothèse que le cervelet fonctionne essentiellement comme un système de perception temporelle a également été soutenue par Richard Ivry^[36]. Une autre « théorie de l'action » influente est la théorie des réseaux de tenseurs de Pellionisz et Llinás, qui a fourni une formulation mathématique avancée de l'idée que le calcul fondamental opéré par le cervelet est la conversion des signaux sensoriels en coordonnées motrices^[37].

Les « théories de l'apprentissage » dérivent presque toutes des premières publications de David Marr^[12] et James Albus^[38]. L'article de Marr de 1969 propose que le cervelet est un dispositif d'apprentissage qui associe les mouvements élémentaires encodés par les fibres grimpantes avec le contexte sensoriel encodé par les fibres moussues. Albus supposa qu'une cellule de Purkinje fonctionne comme un perceptron, un dispositif d'apprentissage abstrait d'inspiration neuronale. La différence la plus simple entre les théories de Marr et d'Albus est que Marr suppose que l'activité des fibres grimpantes provoque un renforcement des synapses avec les fibres parallèles, alors qu'Albus considère qu'il s'agit davantage d'un affaiblissement de ces synapses. Albus a également formulé son hypothèse dans un algorithme qu'il a appelé CMAC (pour l'anglais : Cerebellar Model Articulation Controller), et qui a été testé dans de nombreuses applications^[39].

Structures semblables au cervelet

Beaucoup d'espèces de vertébrés ont des aires cérébrales qui ressemblent au cervelet de par leur architecture cellulaire et leur neurochimie^[44]. La seule de ces aires que l'on trouve chez les mammifères est le noyau cochléaire dorsal (NCD), l'un des deux noyaux sensoriels primaires qui reçoivent des signaux directement du nerf auditif. Le NCD est une structure en couches, la couche inférieure contenant des cellules granulaires similaires à celles du cervelet, donnant naissance à des fibres parallèles qui s'élèvent jusqu'à la couche superficielle et la parcourent horizontalement. La couche superficielle contient un ensemble de neurones GABA-ergiques qui ressemblent anatomiquement et chimiquement aux cellules de Purkinje — ils reçoivent des signaux des fibres parallèles, mais d'aucun corps ressemblant aux fibres grimpantes. Les neurones efférents du NCD sont les cellules fusiformes. Ce sont des neurones glutamatergiques, mais qui ressemblent également aux cellules de Purkinje à certains égards : ils ont des arbres dendritiques superficiels épineux et aplatis qui relayent l'information des fibres parallèles, mais ils reçoivent également grâce à leurs dendrites basales des informations en provenance des fibres du nerf auditif, qui traversent le NCD perpendiculairement aux fibres parallèles. Le NCD est le plus développé chez les rongeurs et d'autres petits animaux, et considérablement réduit chez les primates. Sa fonction n'est pas encore comprise ; les hypothèses les plus populaires la rapprochent d'une manière ou d'une autre de l'audition spatiale^[49].

La plupart des espèces de poissons et d'amphibiens possèdent un système de ligne latérale, capable de déceler les variations de la pression sous l'eau. L'une des aires cérébrales qui reçoit les informations de la ligne latérale, l'aire octavolatérale, a une structure semblable à celle du cervelet, avec des cellules granulaires et des fibres parallèles. Chez les poissons électro-sensibles, les signaux du système électrosensitif vont vers le noyau dorsal octavolatéral, qui a également une structure similaire à celle du cervelet. Chez les poissons à nageoires rayonnées (le groupe le plus diversifié des vertébrés), le colliculus supérieur a une couche — la couche marginale — qui ressemble également au cervelet^[44].

Toutes ces structures similaires au cervelet semblent d'abord se rapporter plutôt au système sensoriel qu'au système moteur. Toutes possèdent des cellules granulaires donnant naissance à des fibres parallèles, qui sont connectées à des neurones semblables aux cellules de Purkinje par des synapses modifiables, mais aucune n'a de fibres grimpantes comparables à celles du cervelet ; à la place, elles reçoivent leurs informations directement des organes sensoriels périphériques. Aucune n'a de fonction clairement démontrée, mais l'hypothèse la plus influente veut qu'elles servent à transformer les signaux sensoriels de manière sophistiquée, peut-être pour compenser des changements dans la position du corps^[44]. En réalité, James Bower et d'autres chercheurs ont soutenu, en se fondant à la fois sur ces structures et sur des études du cervelet, que le cervelet lui-même est fondamentalement une structure sensorielle, et qu'il contribue au contrôle moteur en déplaçant le corps de façon à contrôler les signaux sensoriels en résultant^[50].

Bibliographie

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Articles connexes

• Vermis du cervelet
• Tente du cervelet
• Aire gnosique, zone située au-dessus du cervelet
• Abiotrophie cérébelleuse

Liens externes

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• Vidéo diaporamique du cervelet, 1^re partie, par le D^r Dominique Hasboun (cours sous vidéo nécessitant le décodeur vidéo gratuit Distens)
• Vidéo diaporamique du cervelet, 2^e partie, par le D^r Dominique Hasboun (cours sous vidéo nécessitant le décodeur vidéo gratuit Distens)
• Une liste de « laboratoires effectuant des recherches sur le cervelet »^{(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)} (consulté le 30 mars 2013), dans le monde entier.
• Revue The Cerebellum