Neurosciences

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

Partie de	Science
Pratiqué par	Neurobiologiste (en)
Champs	Neurophysiologie neurosciences cognitives neuroanatomie
Objets	Cerveau système nerveux central
Histoire	Histoire de la connaissance du cerveau

Les neurosciences sont les études scientifiques 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.

Le champ de la recherche en neurosciences est un champ transdisciplinaire : la biologie, la chimie, les mathématiques, la bio-informatique ainsi que la neuropsychologie sont utilisées en neurosciences. L'arsenal conceptuel et méthodologique des neurosciences va de pair avec une diversité d'approches dans l'étude des aspects moléculaires, cellulaires, développementaux, neuroanatomiques, neurophysiologiques, cognitifs, génétiques, évolutionnaires, computationnels ou neurologiques du système nerveux.

Les neurosciences sont souvent présentées sous l'angle des neurosciences cognitives, tout particulièrement les travaux utilisant l'imagerie cérébrale : certaines applications des neurosciences cognitives peuvent être employées en économie, en élevage ,finance, marketing, droit et intelligence artificielle.

Depuis son origine, l’histoire des neurosciences a été dominée par l’étude des neurones, alors que le cerveau est composé de deux grandes populations cellulaires : neurones (50 %) et cellules gliales (50 %). Les cellules gliales, cette autre moitié du cerveau, jouent en réalité un rôle essentiel dans le fonctionnement cérébral et les comportements qui en résultent^[1].

Histoire

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 Hunter 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 XX^e 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 XVIII^e siècle par la découverte de la « bioélectricité » dont le médecin et physicien Luigi Galvani fut l'un des pionniers. Au cours du XIX^e 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 XIX^e 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 XIX^e siècle, l'étude scientifique des patients souffrant de lésions cérébrales par les médecins Broca et Wernicke formera les prémices 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 XIX^e 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 XVII^e 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.

Depuis son origine, la recherche sur le cerveau a connu principalement trois phases: phase philosophique, phase expérimentale et phase théorique. La prochaine phase a été prédite comme la phase de simulation ― le futur des neurosciences^[2].

Depuis les années 1980 des biologistes utilisent la métaphore de neurobiologie végétale pour décrire le traitement des informations internes et externes (environnementales) par les plantes ou communautés de plantes^[3]. Ces dernières utilisent en effet un « système intégré de signalisation, de communication et de réponse passant par des signaux électriques à longue distance, le transport de l'auxine à médiation vésiculaire dans des tissus vasculaires spécialisés et la production de produits chimiques connus pour être neuronaux chez les animaux », « pour se développer, prospérer et se reproduire de manière optimale »^[3].

(voir infra)

Organisation du champ des neurosciences

Les neurosciences couvrant plusieurs ordres de grandeurs de complexité, on peut les diviser en fonction de cette caractéristique^[4] :

• 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 :

• la neuroanatomie caractérise la structure anatomique (morphologie, connectivité…) du système nerveux ;
• la neuroendocrinologie étudie les liens entre le système nerveux et le système hormonal ;
• la neurophysiologie étudie le fonctionnement physiologique des unités constitutives du système nerveux que sont les neurones ;
• les neurosciences cognitives cherchent à établir les liens entre le système nerveux et la cognition ;
• la neurologie est la branche de la médecine s'intéressant aux conséquences cliniques des pathologies du système nerveux et à leurs traitements ;
• la neuropsychologie s'intéresse aux conséquences cliniques des pathologies du système nerveux sur la cognition, l'intelligence et les émotions ;
• les neurosciences computationnelles cherchent à modéliser le fonctionnement du système nerveux au moyen de simulations informatiques ;
• les neurosciences sociales étudient des mécanismes physiologiques, neurobiologiques et hormonaux qui sous-tendent les comportements sociaux et les relations interpersonnelles ;
• la neuroéconomie et la neurofinance s'intéressent aux processus de décision des agents économiques, et notamment l'étude des rôles respectifs des émotions et de la cognition dans ceux-ci. Ces branches sont liées à l'économie comportementale et la finance comportementale.

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 :

Les sciences cognitives des neurosciences :

Les sciences médicales des neurosciences :

Ingénierie et technologie :

Disciplines récentes :

Méthodes

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

L'une des activités les plus médiatisées des neurosciences est l'atlas neurofonctionnel 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

Bien qu'ayant réalisé de grandes avancées ces dernières décennies, la recherche en neurosciences a encore de grandes interrogations devant elle. 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^[1] ?
• Quelles sont les relations entre perception et réalité ?
• Comment expliquer les états modifiés de conscience ?

Critiques

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 XVIII^e 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, Ørsted, 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^[5] »

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 et d'un discours biologisant : 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^[6].

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). Il reste également à établir un rapprochement entre différents types d'expériences et de disciplines neuroscientifiques.

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 ; la carte de la pensée, résultat de la carte de l'activité des neurones issue elle-même de la carte de l'activité d'oxygénation du cerveau). 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), et d'erreur méréologique^[6].

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 XX^e 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.

Le concept de « neurosciences », en tant qu'il est très large et assez abstrait, peut aussi agir comme un fourre-tout douteux et ainsi servir de couverture à des publications peu scientifiques, voire à de parfaits charlatans, et « on voit ainsi fleurir, pour ainsi dire mécaniquement, une quantité invraisemblable de spécialistes auto-proclamés sur ces thèmes, exactement comme si ceux-ci agissaient comme des attracteurs à bullshit »^[7]. La notion très indimidante de « neuroscience » est ainsi brandie dans les médias par toutes sortes d'imposteurs et de gourous en mal de respectabilité^[7].

Prix Nobel

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

Année	Lauréat(s)	Nationalité	Travaux récompensés
1904	Ivan Petrovich Pavlov	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	Italie Espagne	en reconnaissance de leurs travaux sur la structure du système nerveux.
1914	Robert Bárány	Autriche-Hongrie	pour son travail sur la physiologie et la pathologie de l'appareil vestibulaire.
1932	Sir Charles Scott Sherrington et Edgar Douglas Adrian	Royaume-Uni	pour leurs découvertes sur les fonctions des neurones.
1936	Sir Henry Hallett Dale Otto Loewi	Royaume-Uni Allemagne	pour leurs découvertes relatives à la transmission chimique des signaux nerveux.
1944	Joseph Erlanger, Herbert Spencer Gasser	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	Suisse 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	Australie 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	Suède 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	Royaume-Uni Suède 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.	États-Unis	pour « ses découvertes les mécanismes d'action des hormones ».
1972	Gerald M. Edelman Rodney R. Porter	États-Unis Royaume-Uni	pour « leurs découvertes concernant la structure chimique des anticorps ».
1973	Karl von Frisch Konrad Lorenz Nikolaas Tinbergen	Autriche Autriche 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	France Pologne 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	États-Unis, Afrique du Sud Royaume-Uni	pour « le développement de tomographie ».
1981	Roger Sperry David Hubel Torsten Wiesel	États-Unis États-Unis, Canada 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	Japon	pour « sa découverte du principe génétique de la génération de la diversité des anticorps. »
1991	Erwin Neher Bert Sakmann	Allemagne Allemagne	pour « leur découverte des fonctions des canaux ioniques isolés dans les cellules. »
2000	Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R. Kandel	Suède États-Unis États-Unis, 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	États-Unis Royaume-Uni	pour « leur découvertes concernant l'imagerie par résonance magnétique ».
2004	Richard Axel Linda B. Buck	États-Unis	pour « leurs découvertes des récepteurs olfactifs et de l'organisation du système olfactif ».
2014	John O'Keefe May-Britt Moser Edvard Moser	Royaume-Uni, États-Unis Norvège Norvège	pour « leurs découvertes de cellules qui permettent au cerveau de se positionner dans l'espace ».

Notes et références

Voir aussi