Plasticité cérébrale et comportement
Bryan Kolb,1 Robbin Gibb, et Terry Robinson
Centre canadien des neurosciences comportementales, Université de Lethbridge, Lethbridge, Alberta, Canada (B.K., RG.), etDépartement de psychologie, Université du Michigan, Ann Arbor, Michigan (T.R.)
Abstract
Bien que le cerveau ait été autrefois considéré comme un organisme plutôt statique, il est maintenant clair que l’organisation des circuits cérébraux change constamment en fonction de l’expérience. Ces changements sont appelés plasticité cérébrale et sont associés à des changements fonctionnels qui incluent des phénomènes tels que la mémoire, la dépendance et la récupération des fonctions. Des recherches récentes ont montré que la plasticité cérébrale et le comportement peuvent être influencés par une myriade de facteurs, notamment l’expérience pré et postnatale, les drogues, les hormones, la maturation, le vieillissement, l’alimentation, les maladies et le stress. Comprendre comment ces facteursinfluencent l’organisation et le fonctionnement du cerveau est important non seulement pour comprendre le comportement normal et anormal, mais aussi pour concevoir des traitements pour les troubles comportementaux et psychologiques allant de la dépendance à l’accident vasculaire cérébral.
Mots clés
Addiction ; rétablissement ; expérience ;plasticité cérébrale
L’une des questions les plus intrigantes des neurosciences comportementales concerne la manière dont le système nerveux peut modifier son organisation et finalement sa fonction tout au long de la vie d’un individu, une propriété souvent appelée plasticité. La capacité de changer est une caractéristique fondamentale des systèmes nerveux et peut être observée même dans les organismes les plus simples, comme le minuscule ver C. elegans, dont le système nerveux ne compte que 302 cellules. Lorsque le système nerveux se modifie, il y a souvent un changement corrélé dans le comportement ou la fonction psychologique. Ce changement de comportement est connu sous des noms tels que apprentissage, mémoire, dépendance, maturation et récupération. Ainsi, par exemple, lorsqu’une personne acquiert de nouvelles compétences motrices, comme pour jouer d’un instrument de musique, des changements plastiques se produisent dans la structure des cellules du système nerveux qui sous-tendent les compétences motrices. Si ces changements plastiques sont empêchés d’une manière ou d’une autre, l’apprentissage moteur n’a pas lieu. Bien que les psychologues aient supposé que le système nerveux était particulièrement sensible à l’expérience pendant le développement, ce n’est que récemment qu’ils ont commencé à apprécier le potentiel de changements plastiques dans le cerveau adulte. Comprendre la plasticité cérébrale est évidemment d’un intérêt considérable, à la fois parce qu’elle fournit une fenêtre pour comprendre le développement du cerveau et du comportement et parce qu’elle permet de comprendre les causes des comportements normaux et anormaux.
La nature de la plasticité cérébrale
L’hypothèse sous-jacente des études sur la plasticité cérébrale et comportementale est que si le comportement change, il doit y avoir un changement dans l’organisation ou les propriétés des circuits neuronaux qui produisent le comportement. Inversement, si les réseaux neuronaux sont modifiés par l’expérience, il doit y avoir un changement correspondant dans les fonctions médiées par ces réseaux. Pour le chercheur désireux de comprendre les facteurs susceptibles de modifier les circuits cérébraux et, en fin de compte, le comportement, un défi majeur consiste à trouver et à quantifier les changements. En principe, les changements plastiques des circuits neuronaux sont susceptibles de refléter soit des modifications des circuits existants, soit la création de nouveaux circuits. Mais comment les chercheurs peuvent-ils mesurer les changements dans les circuits neuronaux ? Comme les réseaux neuronaux sont composés de neurones individuels, chacun d’entre eux étant connecté à un sous-ensemble d’autres neurones pour former des réseaux interconnectés, l’endroit logique pour rechercher les changements plastiques se situe aux jonctions entre les neurones, c’est-à-dire aux synapses. Cependant, déterminer si des synapses ont été ajoutées ou perdues dans une région particulière est une tâche ardue, étant donné que le cerveau humain compte environ 100 milliards de neurones et que chaque neurone produit en moyenne plusieurs milliers de synapses. Il n’est évidemment pas pratique de scanner le cerveau à la recherche de toutes les synapses, il faut donc en identifier un petit sous-ensemble et l’examiner en détail. Mais quelles synapses faut-il étudier ? Étant donné que les neuroscientifiques ont une assez bonne idée des régions du cerveau impliquées dans des comportements particuliers, ils peuvent restreindre leur recherche aux zones probables, mais ils se retrouvent toujours avec un système extraordinairement complexe à examiner. Il existe cependant une procédure qui facilite la tâche.
À la fin du XIXe siècle, Camillo Golgi a inventé une technique de coloration d’un sous-ensemble aléatoire de neurones (1-5%) afin de pouvoir visualiser les corps cellulaires et les arbres dendritiques des cellules individuelles (Fig. 1). Les dendrites d’une cellule servent d’échafaudage pour les synapses, tout comme les branches d’un arbre fournissent un endroit où les feuilles peuvent se développer et être exposées à la lumière du soleil. On peut comprendre l’utilité de la technique de Golgi en poursuivant cette métaphore arboricole. Il existe plusieurs façons d’estimer le nombre de feuilles d’un arbre sans avoir à les compter toutes. Ainsi, on peut mesurer la longueur totale des branches de l’arbre ainsi que la densité des feuilles sur une branche représentative. Ensuite, en multipliant simplement la longueur des branches par la densité des feuilles, on peut estimer le nombre total de feuilles. Une procédure similaire est utilisée pour estimer le nombre de synapses. Environ 95 % des synapses d’une cellule se trouvent sur ses dendrites (les branches du neurone). En outre, il existe une relation à peu près linéaire entre l’espace disponible pour les synapses (surface dendritique) et le nombre de synapses, de sorte que les chercheurs peuvent présumer que les augmentations ou les diminutions de la surface dendritique reflètent des changements dans l’organisation synaptique.
FACTEURS AFFECTANT LA PLASTICITÉ DU CERVEAU
En utilisant des procédures de coloration de Golgi, divers chercheurs ont montré que le logement d’animaux dans des environnements complexes par rapport à des environnements simples produit des différences généralisées dans le nombre de synapses dans des régions spécifiques du cerveau. En général, ces expériences montrent que des expériences particulières embellissent les circuits, alors que l’absence de ces expériences ne le fait pas (par exemple, Greenough & Chang, 1989). Jusqu’à récemment, l’impact de ces expériences neuropsychologiques était étonnamment limité, en partie parce que les traitements environnementaux étaient perçus comme extrêmes et donc non caractéristiques des événements vécus par le cerveau normal. Il est devenu clair, cependant, non seulement que l’organisation synaptique est modifiée par l’expérience, mais aussi que l’éventail des facteurs qui peuvent le faire est beaucoup plus large que ce que l’on avait prévu. Factors that are now known to affect neuronal structureand behavior include the following:
§ experience (both pre- andpostnatal)
§ psychoactive drugs (e.g.,amphetamine, morphine)
§ gonadal hormones (e.g.,estrogen, testosterone)
§ anti-inflammatory agents(e.g., COX-2 inhibitors)
§ growth factors (e.g., nervegrowth factor)
§ dietary factors (e.g.,vitamin and mineral supplements)
§ genetic factors (e.g., straindifferences, genetically modified mice)
§ disease (e.g., Parkinson’sdisease, schizophrenia, epilepsy, stroke)
- stress
- brain injury and disease
We discuss two examples toillustrate.
L’expérience précoce
On suppose généralement que les expériences vécues tôt dans la vie ont des effets différents sur le comportement que des expériences similaires vécues plus tard dans la vie. La raison de cette différence n’est cependant pas comprise. Pour étudier cette question, nous avons placé des animaux dans des environnements incomplexes, soit à l’âge juvénile, soit à l’âge adulte, soit en sénescence (Kolb,Gibb, & Gorny, 2003). Nous nous attendions à ce qu’il y ait des différences quantitatives dans les effets de l’expérience sur l’organisation synaptique, mais à notre grande surprise, nous avons également trouvé des différences qualitatives. Ainsi, comme de nombreux chercheurs avant nous, nous avons constaté que la longueur des dendrites et la densité des synapses étaient accrues dans les neurones des régions corticales motrices et sensorielles chez les animaux adultes et âgés logés dans un environnement complexe (par rapport à une cage de laboratoire standard). En revanche, les animaux placés dans le même environnement que les jeunes ont montré une augmentation de la longueur des dendrites mais une diminution de la densité des épines. En d’autres termes, la même manipulation environnementale a eu des effets qualitativement différents sur l’organisation des circuits neuronaux chez les juvéniles que chez les adultes.
Pour poursuivre cette découverte, nous avons par la suite donné aux bébés animaux 45 min de stimulation tactile quotidienne avec un petit pinceau (15 min trois fois par jour) pendant les 3 premières semaines de vie. Nos études comportementales ont montré que cette expérience précoce apparemment bénigne améliorait les capacités motrices et cognitives à l’âge adulte. Les études anatomiques ont montré, en outre, que chez ces animaux, il y avait une diminution de la densité des épines mais aucun changement dans la longueur des dendrites des neurones corticaux ; encore un autre modèle de changement neuronal dépendant de l’expérience. (Des études parallèles ont montré d’autres changements, y compris des changements neurochimiques, mais ceux-ci sont hors de notre discussion actuelle). Forts de ces résultats, nous nous sommes alors demandé si l’expérience prénatale pouvait également modifier la structure du cerveau des mois plus tard, à l’âge adulte. C’est effectivement le cas. Par exemple, la progéniture d’une ratonne logée dans un environnement complexe pendant la durée de sa grossesse présente un espace synaptique accru sur les neurones du cortex cérébral à l’âge adulte. Bien que nous ne sachions pas comment les expériences prénatales modifient le cerveau, il semble probable qu’une certaine réponse chimique de la mère, qu’elle soit hormonale ou autre, puisse traverser la barrière placentaire et modifier les signaux génétiques dans le cerveau en développement.
Les études montrant que l’expérience peut affecter de manière unique le cerveau en développement nous ont amenés à nous demander si le cerveau blessé du nourrisson pouvait être réparé par des traitements environnementaux. Nous n’avons pas été surpris de constater que l’expérience post-lésionnelle, telle que la caresse actile, pouvait modifier à la fois la plasticité cérébrale et le comportement, car nous en étions venus à penser que de telles expériences étaient de puissants modulateurs du développement cérébral (Kolb, Gibb, & Gorny, 2000). Ce qui était surprenant, cependant, c’est que l’expérience prénatale, comme le fait de loger la mère enceinte dans un environnement complexe, pouvait affecter la façon dont le cerveau réagissait à une blessure qu’il ne recevrait qu’après la naissance. En d’autres termes, l’expérience prénatale modifie la réponse du cerveau à une blessure plus tard dans la vie. Ce type d’étude a des implications profondes pour les traitements préventifs des enfants à risque pour une variété de troubles neurologiques.
Drogues psychoactives
Les personnes qui prennent des drogues stimulantes comme la nicotine, l’amphétamine ou la cocaïne le font pour leurs puissants effets psychoactifs. Les conséquences comportementales à long terme de la consommation de ces drogues psychoactives sont maintenant bien documentées, mais on en sait beaucoup moins sur la façon dont l’exposition répétée à ces drogues modifie le système nerveux. Une démonstration expérimentale d’une forme très persistante de plasticité dépendant de l’expérience des drogues est connue sous le nom de sensibilisation comportementale. Par exemple, si l’on administre à un rat une petite dose d’amphétamine, il présentera initialement une petite augmentation de son activité motrice (par exemple, locomotion, cabrage). Cependant, lorsque le rat reçoit la même dose à plusieurs reprises, l’augmentation de l’activité motrice s’accroît, ou se sensibilise, et l’animal peut rester sensibilisé pendant des semaines, des mois, voire des années, même si le traitement médicamenteux est interrompu.
On pense que les changements de comportement qui surviennent à la suite d’une expérience passée, et qui peuvent persister pendant des mois ou des années, comme les souvenirs, sont dus à des changements dans les modèles d’organisation synaptique. Les parallèles entre la sensibilisation induite par les drogues et la mémoire nous ont amenés à nous demander si les neurones des animaux sensibilisés aux drogues d’abus présentent des changements durables similaires à ceux associés à la mémoire (par exemple, Robinson & Kolb, 1999). Une comparaison des effets des traitements à l’amphétamine et à la solution saline sur la structure des neurones dans une région du cerveau connue sous le nom de noyau accumbens, qui transmet les effets d’activation psychomotrice de l’amphétamine, a montré que les neurones dans les cerveaux traités à l’amphétamine avaient un matériel dendritique plus important, ainsi que des épines plus densément organisées . Ces modifications plastiques n’ont toutefois pas été observées dans l’ensemble du cerveau, mais plutôt dans des régions telles que le cortex préfrontal et le noyau accumbens, dont on pense qu’elles jouent un rôle dans les propriétés gratifiantes de ces drogues. Des études ultérieures ont montré que ces changements induits par les drogues se retrouvent non seulement lorsque les animaux reçoivent des injections par un expérimentateur, mais aussi lorsqu’ils sont entraînés à s’auto-administrer des drogues, ce qui nous amène à spéculer que des changements similaires dans l’organisation synaptique se retrouvent chez les toxicomanes humains.
Autres facteurs
Tous les facteurs décrits dans le tableau 1 ont des effets qui sont conceptuellement similaires aux deux exemples que nous venons de discuter. Par exemple, les lésions cérébrales perturbent l’organisation synaptique du cerveau, et lorsqu’il y a une amélioration fonctionnelle après la lésion, il y a une réorganisation corrélée des circuits neuronaux (par exemple, Kolb, 1995). Mais tous les facteurs n’agissent pas de la même manière dans le cerveau. Par exemple, les oestrogènes stimulent la formation de synapses dans certaines structures mais réduisent le nombre de synapses dans d’autres structures (Kolb, Forgie, Gibb, Gorny, & Rowntree, 1998), un modèle de changement que l’on peut également observer avec certaines drogues psychoactives, comme la morphine. En somme, il apparaît maintenant que pratiquement toute manipulation qui produit un changement durable du comportement laisse une empreinte anatomique dans le cerveau.
CONCLUSIONS ET QUESTIONS
Il y a plusieurs conclusions à tirer de nos études. Premièrement, l’expérience modifie le cerveau, et ce, en fonction de l’âge. Deuxièmement, l’expérience pré et postnatale a de tels effets, et ces effets sont durables et peuvent influencer non seulement la structure du cerveau mais aussi le comportement de l’adulte. Troisièmement, des expériences apparemment similaires peuvent modifier les circuits neuronaux de différentes manières, bien que chacune de ces modifications se manifeste par un changement de comportement. Quatrièmement, une variété de conditions comportementales, allant de la dépendance aux troubles neurologiques et psychiatriques, sont corrélées à des changements localisés dans les circuits neuronaux. Enfin, les thérapies visant à modifier le comportement, comme le traitement de la dépendance, des accidents vasculaires cérébraux ou de la schizophrénie, seront probablement plus efficaces si elles sont capables de réorganiser davantage les circuits cérébraux concernés. En outre, les études de la structure neuronale constituent une méthode simple de dépistage des traitements susceptibles d’être efficaces pour traiter des troubles tels que la démence. En effet, nos études montrent que la nouvelle génération de médicaments antiarthritiques (connus sous le nom d’inhibiteurs de la COX-2), qui agissent pour réduire l’inflammation, peuvent inverser la perte synaptique liée à l’âge et devraient donc être considérés comme des traitements utiles pour la perte cognitive liée à l’âge.
Bien que l’on sache maintenant beaucoup de choses sur la plasticité cérébrale et le comportement, de nombreuses questions théoriques demeurent. Savoir qu’une grande variété d’expériences et d’agents peuvent modifier l’organisation synaptique et le comportement est important, mais conduit à une nouvelle question :comment cela se produit-il ? Il n’est pas facile de répondre à cette question, et il est certain qu’il existe plus d’une réponse. Nous fournissons un seul exemple pour illustrer.
Les facteurs neurotrophiques sont une classe de produits chimiques qui sont connus pour affecter l’organisation synaptique. Le facteur de croissance des fibroblastes-2 (FGF-2) en est un exemple. La production de FGF-2 est augmentée par diverses expériences, telles qu’un logement complexe et des caresses tactiles, ainsi que par des drogues telles que l’amphétamine. Il est donc possible que l’expérience stimule la production de FGF-2 et que celle-ci augmente à son tour la production de synapses. Mais là encore, la question est de savoir comment. Une hypothèse est que le FGF-2 modifie d’une manière ou d’une autre la façon dont différents gènes sont exprimés par des neurones spécifiques, ce qui affecte la façon dont les synapses sont générées ou perdues. En d’autres termes, les facteurs qui modifient le comportement, y compris l’expérience, peuvent le faire en modifiant l’expression des gènes, un résultat qui vide de leur sens les discussions traditionnelles gène-contre-environnement.
D’autres questions tournent autour des limites et de la permanence des changements plastiques. Après tout, les gens rencontrent et apprennent de nouvelles informations quotidiennement. Y a-t-il une limite à l’ampleur des changements que peuvent subir les cellules ? Il semble peu probable que les cellules puissent continuer à s’agrandir et à ajouter des synapses indéfiniment, mais qu’est-ce qui contrôle cela ? Nous avons vu dans nos études sur les changements dépendants de l’expérience chez les nourrissons, les jeunes et les adultes que l’expérience ajoute et élague les synapses, mais quelles sont les règles qui régissent le moment où l’un ou l’autre se produit ? Cette question en amène une autre, à savoir si les changements plastiques en réponse à différentes expériences peuvent interagir. Par exemple, l’exposition à une drogue comme la nicotine affecte-t-elle la façon dont le cerveau se modifie lors de l’apprentissage d’une habileté motrice comme le piano ? Il faut également tenir compte de la question de la permanence des changements plastiques. Si une personne arrête de fumer, combien de temps les changements plastiques induits par la nicotine persistent-ils, et affectent-ils les changements ultérieurs ?
Une question supplémentaire entoure le rôle des changements plastiques dans les comportements désordonnés.Ainsi, bien que la plupart des études sur la plasticité impliquent que le remodelage du circuit neuronal est une bonne chose, il est raisonnable de se demander si les changements plastiques ne seraient pas également à la base d’un comportement pathologique. On sait peu de choses sur cette possibilité, mais elle semble probable. Par exemple, les toxicomanes présentent souvent des déficits cognitifs, et il semble raisonnable de proposer qu’au moins certains de ces déficits pourraient provenir d’un circuit anormal, en particulier dans le lobe frontal.
En somme, la structure du cerveau change constamment en réponse à une gamme anormalement large de facteurs expérientiels. Comprendre comment le cerveau change et les règles qui régissent ces changements est important non seulement pour comprendre le comportement normal et anormal, mais aussi pour concevoir des traitements pour les troubles comportementaux et psychologiques allant de la dépendance à l’accident vasculaire cérébral.
Lectures recommandées
Kolb, B., & Whishaw, I.Q. (1998). Brain plasticity andbehavior. Annual Review of Psychology, 49, 43-64.
Robinson, T.E., & Berridge, K.C. (sous presse). Addiction.Annual Review of Psychology.
Shaw, C.A., & McEachern, J.C.(2001). Vers une théorie de la neuroplasticité. New York : Taylor andFrancis.
Remerciements–Cette recherche a été soutenue par une subvention du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie à B.K. et une subvention du National Institute on Drug Abuse à T.R..
Note
1. Adressez votre correspondance à BryanKolb, CCBN, Université de Lethbridge, Lethbridge, Canada, T1K 3M4.
Greenough, W.T., & Chang, F.F. (1989). Plasticité de la structure et du modèle des synapses dans le cortex cérébral. Dans A. Peters & E.G. Jones(Eds.), Cerebral cortex : Vol. 7 (pp. 391-440). New York : Plenum Press.
Kolb, B. (1995). Plasticité cérébrale et comportement.Mahwah, NJ : Erlbaum.
Kolb, B., Forgie, M., Gibb, R., Gorny, G., & Rowntree,S. (1998). L’âge, l’expérience et le cerveau en mutation. Neuroscience andBiobehavioral Reviews, 22, 143-159.
Kolb, B., Gibb, R., & Gorny, G. (2000). Corticalplasticity and the development of behavior after early frontal cortical injury.Developmental Neuropsychology, 18, 423-444.
Kolb, B., Gibb, R., & Gorny, G. (2003).Experience-dependent changes in dendritic arbor and spine density in neocortexvary with age and sex. Neurobiology of Learning and Memory, X,XXX-XXX.
Robinson, T.E., & Kolb, B. (1999). Alterations in themorphology of dendrites and dendritic spines in the nucleus accumbens andprefrontal cortex following repeated treatment with amphetamine or cocaine. EuropeanJournal of Neuroscience, 11, 1598-1604.
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