Les mathématiques de haut niveau, au cœur de l’étude du cerveau

 

 

La journée de pi, c'est mercredi 3/14 ! A l'initiative du ministère de l'Education nationale, une Semaine des mathématiques se tient chaque année pendant la semaine du 14 mars. L'occasion de s'intéresser au cerveau mathématicien.

Peut-il y avoir une pensée sans langage ? Voici une question séculaire qui intrigue bien des philosophes et scientifiques. Dans ce débat, les mathématiques ont un statut particulier. Pour certains, tel Noam Chomsky, l’activité mathématique a émergé chez l’Homme comme conséquence de ses capacités de langage. Au contraire, la plupart des mathématiciens et physiciens pensent que la réflexion mathématique est indépendante du langage.

Visualiser le cerveau mathématicien en action

L’imagerie cérébrale permet aujourd’hui de poser cette question en laboratoire. En particulier, la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui, en observant l’afflux sanguin qui apporte l’oxygène nécessaire au fonctionnement des neurones, permet d’en localiser l’activité.

Jusqu’à présent, les neurosciences cognitives ont principalement étudié les aires cérébrales impliquées dans l’arithmétique élémentaire. Toutefois, pour les mathématiciens, les mathématiques ne peuvent se résumer à l’arithmétique, mais recouvrent au contraire des domaines aussi variés que l’algèbre et la géométrie.

Pour la première fois, nous avons pu mettre en place une expérience permettant de déterminer quelles aires cérébrales sont impliquées dans la réflexion mathématique de haut niveau. Allongés dans un IRM, un casque sur les oreilles, une quinzaine de mathématiciens ont écouté une série d’affirmations mathématiques et non-mathématiques de haut niveau. Pour chaque affirmation, ils disposaient d’une poignée de secondes pour déterminer si elle était vraie, fausse ou absurde.

Les aires cérébrales activées par les mathématiques ne sont pas celles du langage

Lorsque la réflexion des mathématiciens portait sur des objets mathématiques, un réseau dorsal pariétal et frontal était activé (en bleu), réseau qui ne présentait aucun recouvrement avec les aires du langage. À l’inverse, lorsqu’on leur demandait de réfléchir à un problème d’histoire ou de géographie, le réseau qui s’activait était complètement différent des régions mathématiques et impliquait certaines aires du langage (en vert).

 

Il existe ainsi un réseau mathématique dans le cerveau, qui n’est pas celui du langage. Ce résultat concorde avec d’autres observations, par exemple le fait que certains enfants ou adultes qui disposent d’un vocabulaire numérique très pauvre soient capables de réaliser des opérations arithmétiques avancées, ou encore que certains patients aphasiques puissent encore faire du calcul et de l’algèbre.

Les mathématiques de haut niveau recyclent des fonctions cérébrales très anciennes dans l’évolution

Le réseau d’aires cérébrales mis au jour dans cette étude n’est pas seulement impliqué dans les mathématiques de très haut niveau (en rouge), mais coïncide précisément avec les aires activées en réponse à la simple vue de nombres ou de formules mathématiques (en vert) et en réponse à des calculs simples (en bleu) chez les mathématiciens professionnels comme chez les non-mathématiciens (des chercheurs de même niveau universitaire, mais sans formation scientifique, qui avaient participé à cette expérience).

 

De récentes études d’imagerie cérébrale ont de plus suggéré que ce réseau est déjà impliqué chez les jeunes enfants non encore scolarisés lorsqu’ils mobilisent des intuitions mathématiques reliées au nombre et à l’espace dont nous disposons tous à la naissance et que nous partageons avec de nombreuses autres espèces animales. Ce réseau est d’ailleurs également présent lorsque les singes macaques reconnaissent un certain nombre d’objets concrets.

Cela suppose que ce réseau préexiste à l’apprentissage des mathématiques à l’école, et qu’il se développe ensuite avec l’éducation que l’on reçoit. En effet, nous avons constaté que l’activation des régions de ce réseau était amplifiée chez les mathématiciens par rapport aux non-mathématiciens. Cette observation coïncide avec la théorie du recyclage neuronal, développée par Stanislas Dehaene, et qui stipule que les activités culturelles de haut niveau, telles que les mathématiques, recyclent des fondations cérébrales très anciennes dans l’évolution, telles que le sens du nombre, de l’espace ou du temps.

Une relation à interroger

Dans notre travail, les mathématiciens avaient bénéficié de nombreuses années d’étude préalables des mathématiques. On peut supposer que si, une fois acquis, les concepts mathématiques sont encodés de manière abstraite, symbolique, et ne font plus appel au langage, celui-ci pourrait au contraire jouer un rôle important dans leur apprentissage.

Même si la relation entre mathématiques en langage doit encore être interrogée dans le contexte de l’apprentissage des mathématiques à l’école, les résultats de notre étude semblent éclairer les mécanismes cérébraux de la réflexion mathématique et donner raison à Albert Einstein qui affirmait : « les mots et le langage écrits ou parlés ne semblent jouer aucun rôle dans mon mécanisme de pensée. Les briques de base de ma pensée sont au contraire des signes ou des images, plus ou moins clairs, que je peux reproduire et combiner à volonté ».

Marie Amalric


 

 

Brain cells from skin cells : Specifically, this is a culture of neurons (stained green) derived from human skin cells, and Schwann cells, a second type of brain cell (stained red), which have started to cover the neuron in the same way these cells interact in the brain. (20x)

Human HeLa cell undergoing cell division (cytokinesis). DNA (yellow), myosin II (blue) and actin filaments (red) (60x)


Mouse retinal ganglion cells (40x)

Human neural rosette primordial brain cells, differentiated from embryonic stem cells in the culture dish (used to study brain development and Huntington’s disease) (10x)

Retinal ganglion cells in the whole-mounted mouse retina (20x)

Dentate gyrus of a optically-cleared transgenic mouse brain in 3D (10x)

Hippocampal neurons (10x)

Hippocampal slice culture stained for neurons (blue), astrocytes (green) and proliferating cells (red) (20x)

Cerebellum brain section of a rat showing Bergmann glia (white) and nuclei (green) (20x)

Section of the cerebellum (in a brain) stained for Purkinje cells (red) and nuclei (blue) (40x)

Measuring the representational space of music with fMRI: a case study with Sting

Localization of music related listening versus silence. Significant differences of fMRI BOLD activity during listening to 16 familiar songs are compared to a set of quiet resting conditions (p < 0.001, cluster >10 voxels). Results are projected onto the surface of the participant’s own structural? MRI scan for visualization.

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/13554794.2016.1216572

 

Un chercheur de McGill explore le cerveau musical de Sting

Comparison of the motifs of “Libertango” by Piazzolla and “Girl” by Lennon & McCartney

 

 

 
 
 

Qu’ont en commun Girl (  https://www.youtube.com/embed/B-UMKxUR2tU ),

grand succès des années 1960 des Beatles,

et Libertango(https://www.youtube.com/embed/vaXNdVTGT0k),  

tango évocateur d’Astor Piazzolla ?

 

De prime abord, probablement bien peu de choses. Pourtant, dans le cerveau d’un célèbre auteur-compositeur-interprète aux goûts éclectiques, ces deux pièces se ressemblent énormément. C’est l’un des étonnants constats posés après l’examen de documents d’imagerie du cerveau de Sting, lors d’une étude inédite en neurosciences.

L’étude, dont les résultats ont été publiés dans la revue Neurocase, repose sur des techniques d’analyse toutes récentes. Dans le cas présent, elles ont fait de documents d’imagerie une véritable fenêtre ouverte sur le cerveau d’un musicien accompli. Toutefois, appliquées à d’autres domaines – arts, politiques, sciences, etc. – elles pourraient permettre de lever le voile sur cette capacité qu’ont les gens doués de faire des liens entre des éléments apparemment dissemblables.

« Ces techniques de pointe nous ont littéralement permis de cartographier l’organisation de la musique dans le cerveau de Sting », explique le Pr Daniel Levitin, auteur principal et psychologue cognitiviste à l’Université McGill. « C’est capital, dans la mesure où tout l’art de la musique réside dans la capacité du cerveau d’assembler des sonorités pour façonner un paysage sonore. »

Un service en attire un autre

L’étude résulte d’un heureux concours de circonstances, qui remonte à quelques années. L’étincelle : un livre du Pr Levitin, This Is Your Brain on Music, que Sting avait lu. Le chanteur avait un concert prévu à Montréal. Son équipe a donc communiqué avec le professeur pour lui demander s’il accepterait de faire visiter son laboratoire à Sting. De nombreuses vedettes du monde de la musique avaient déjà foulé le sol de cette enceinte. Le chercheur a donc accepté avec plaisir, mais il avait lui aussi une faveur à demander au chanteur : est-ce que Sting accepterait de se soumettre à des examens d’imagerie cérébrale?

C’est ainsi que des étudiants de McGill se sont retrouvés dans un ascenseur du Pavillon de biologie Stewart en compagnie du chanteur du défunt groupe The Police, gagnant de 16 prix Grammy.

Par un après-midi caniculaire pré-concert, Sting s’est présenté au service d’imagerie cérébrale de l’Institut et hôpital neurologiques de Montréal de l’Université McGill pour se soumettre à des examens d’imagerie fonctionnelle et structurale. L’expérience a failli ne jamais avoir lieu en raison d’une panne de courant qui a paralysé le campus pendant plusieurs heures. Comme il fallait plus d’une heure pour redémarrer l’appareil d’IRM fonctionnelle, le temps commençait à manquer. Mais Sting, plutôt que de se rendre à un test de son pour son spectacle, a généreusement accepté de rester sur place afin de pouvoir se soumettre aux examens.

Par la suite, le Pr Levitin a fait équipe avec le Pr Scott Grafton, grand spécialiste en imagerie cérébrale rattaché à l’Université de Californie à Santa Barbara, afin d’étudier les documents d’imagerie au moyen de deux techniques novatrices : l’analyse de modèle multivoxel et l’analyse de dissimilarité représentationnelle. Les chercheurs souhaitaient déterminer si, aux oreilles de Sting, les pièces entendues étaient semblables ou différentes. Et ils comptaient le faire non pas au moyen de tests ou de questionnaires, mais bien en mesurant l’activation de divers territoires du cerveau de Sting.

« Grâce à ces méthodes, nous pouvons déterminer si les schémas d’activation cérébrale se ressemblent davantage lorsque les styles de musique entendus sont semblables. C’est une démarche inédite en matière d’étude de la musique par l’imagerie cérébrale », fait observer Scott Grafton.

Des similitudes qui étonnent

« Les documents d’imagerie du cerveau de Sting ont fait ressortir plusieurs similitudes entre des pièces que je connais bien, mais entre lesquelles je n’avais jamais fait de lien », souligne le Pr Levitin. Ainsi, deux des pièces les plus proches l’une de l’autre étaient Libertango, de Piazzolla, et Girl, des Beatles. Les deux sont en mode mineur, et le motif de la mélodie est semblable, peut-on lire dans l’article. Autre exemple : la pièce de Sting Moon over Bourbon Street et celle de Booker T. and the M.G.’s Green Onions, deux pièces en fa mineur ayant le même tempo (132 battements par minute) et un rythme de swing.

Les méthodes exposées dans l’article, précise le Pr Levitin, « peuvent servir à l’étude de nombreux autres sujets, par exemple l’organisation des pensées de l’athlète qui doit accomplir certains mouvements, de l’écrivain qui doit bâtir un personnage ou du peintre qui doit agencer couleurs, formes et espaces ».

La mort des cellules humaines par apoptose
La plus grande partie de notre corps se régénère en permanence. De nouvelles cellules apparaissent par mitose, et il faut bien que l’organisme contrebalance ces nouvelles populations en détruisant des tissus plus anciens. Ainsi, la plupart des cellules sont programmées pour mourir par apoptose, le suicide cellulaire. Cependant, elles peuvent aussi disparaître consécutivement à une agression. Virus, bactéries ou parasites sont capables de tuer. C'est aussi le cas de certains produits chimiques (comme des médicaments qui ont eu raison de cette cellule cancéreuse en train de mourir, en bas à gauche sur l'image) ou de paramètres physiques, comme la friction ou des températures élevées.
Taille variable en fonction des cellules ;
Un seul noyau ;
Dans tous les organes.

Les entérocytes, des cellules de l'intestin avec des microvillosités
« Rien ne se perd, tout se transforme » : cette citation tronquée de Lavoisier qualifie bien les entérocytes, les cellules intestinales. Celles-ci disposent à leur pôle apical d’une armada d’excroissances cytoplasmiques appelées « microvillosités » (en 1 sur l'image). Bien pratique pour augmenter la surface de contact avec le tube de l’intestin, et ainsi récupérer un maximum d’éléments nutritifs passant à leur portée. Elles sont environ 60 par µm² et confèrent aux cellules une structure en brosse.
Taille : 30 µm dont 3,5 µm de microvillosités ;
Un noyau ;
Intestin.

La phagocytose des neutrophiles, clé du système immunitaire
Un organisme ne se fait pas que des alliés : il a aussi des ennemis microscopiques qui veulent vivre à ses dépens. C’est donc au système immunitaire d’intervenir et de s’en débarrasser. S’il dispose de plusieurs solutions, il utilise ses neutrophiles (et ses macrophages) pour avaler et digérer certains envahisseurs. Ainsi, sur cette image, le neutrophile (en jaune) avale des spécimens de la bactérie Bacillus anthracis (en orange), à l’origine de l’anthrax, aussi appelée maladie du charbon. À titre indicatif, la barre d’échelle représente 5 µm.
Taille : 9 µm de diamètre ;
Un noyau plurilobé ;
Lymphe et sang.

Les ostéoclastes, des cellules osseuses à plusieurs noyaux
Si les globules rouges perdent leur noyau au cours de leur différenciation, l’inverse se produit aussi dans le corps humain : des cellules peuvent en acquérir d'autres. C’est par exemple le cas des ostéoclastes. Ces cellules sont issues de lignées à l’origine de plusieurs souches de cellules du système immunitaire et sont chargées de détruire les tissus osseux vieillissants et malades. Elles se forment à la suite de la fusion de plusieurs de leurs ascendants. Ainsi, cette cellule sur l’image (au centre) possède neuf noyaux. Parfois, les ostéoclastes peuvent en avoir une cinquantaine.
Taille : de 50 à 100 µm ;
De quelques noyaux à 50 noyaux ;
Lymphe et sang, avant de rejoindre l’os.

La drépanocytose, la maladie des globules rouges
Les cellules aussi peuvent être difformes quand elles sont malades. C’est ce qui arrive aux globules rouges dans le cas de la drépanocytose, une pathologie génétique qui affecte notamment l’hémoglobine, la molécule chargée du transport des gaz. Du fait d’une séquence protéique anormale, l’hématie prend une forme de faucille (cellule orange) tout à fait différente de la forme saine (derrière, en rouge). Sans traitement, les malades meurent jeunes.
Taille : de 6,5 à 7,5 µm de diamètre ;
Pas de noyau ;
Sang.

Les polynucléaires neutrophiles du sang et leur noyau plurilobé
Les polynucléaires neutrophiles (PNN), aussi appelés granulocytes neutrophiles, sont capables de phagocytose, c'est-à-dire que ces cellules peuvent ingérer des particules étrangères – la phagocytose est un moyen de défense de l'organisme. Ils semblent présenter plusieurs noyaux, comme le montre cette image qui correspond à une coupe. Cependant, l'image est trompeuse : en réalité, les polynucléaires neutrophiles ne possèdent qu’un seul noyau, composé de différents lobes.
Taille : 9 µm de diamètre ;
Un noyau plurilobé ;
Lymphe et sang.

- Les neurones du cerveau et leurs arborescences
Le cerveau est l’un des organes les plus mystérieux du corps humain. Ses cellules, appelées neurones, transmettent l’information par des signaux électriques. Contrairement à la représentation classique des cellules, qu’on imagine bien rondes, les neurones présentent une morphologie tout à fait exceptionnelle. À une extrémité (en bas sur l’image), les dendrites forment une arborescence dense. Elles captent le message émanant d’un neurone voisin et le transmettent au corps cellulaire (le disque coloré), qui le répercute jusque dans l’axone, unique, qui va lui-même conduire l'influx nerveux jusqu'au pôle opposé. L’influx est ensuite transmis aux dendrites du neurone voisin à grande vitesse, et ainsi de suite.
Taille : de quelques micromètres à 120 µm pour le corps cellulaire, jusqu’à plus d’un mètre pour l’axone ;
Un noyau ;
Systèmes nerveux central et périphérique.

Les ostéocytes, des cellules du tissu osseux
Les ostéocytes se terrent dans les cavités du tissu osseux et contribuent à la synthèse de l’os. Ces cellules forment de longues excroissances lui permettant de communiquer avec d’autres ostéocytes. Elles ne se divisent pas et meurent donc sans laisser de descendance.
Taille : de 15 à 30 µm de long, de 10 à 15 µm de large ;
Un seul noyau ;
Os.

- Dans les îlots de Langerhans, les cellules bêta du pancréas sécrètent l'insuline
Certaines cellules sont spécialisées dans la sécrétion. Les glandes sudoripares produisent la sueur, la glande mammaire génère le lait après l’accouchement, etc. Une partie du pancréas participe à la production d’hormones. Les cellules bêta pancréatiques (dont les noyaux apparaissent en bleu sur la photo), retrouvées dans les îlots de Langerhans, sécrètent l’insuline (ici colorée en vert), cette hormone célèbre qui abaisse les taux de sucre dans le sang. Le rouge marque la présence de son antagoniste, le glucagon, produit par les cellules alpha de ces mêmes îlots de Langerhans. Une fois larguée dans la circulation, cette hormone va augmenter la glycémie.
Taille : environ 10 µm de diamètre ;
Un noyau ;
Pancréas.

- Les cellules ciliées de la cochlée, dans l'oreille interne
L’audition est un phénomène complexe. Elle implique la vibration d’un tympan consécutive à l’onde sonore, qui va secouer trois osselets, activant à leur tour les cellules ciliées de la cochlée (située au niveau de l'oreille interne). Ces cellules possèdent des excroissances cytoplasmiques qui font penser à des cils. Cependant, ces structures, nommées « stéréocils », ne peuvent être comparées à ces appendices en ce sens qu’elles ne disposent pas de leur motilité. En revanche, elles ressemblent beaucoup plus aux microvillosités des cellules intestinales, même si elles sont plus courtes (quelques micromètres quand même). Parfois, ces stéréocils s’entremêlent à leur sommet. L’activation des cellules ciliées stimule les neurones du nerf auditif, permettant à l’information sonore de transiter jusqu’aux aires spécialisées dans l’audition.
Taille : autour de 10 µm, en plus de stéréocils de différentes tailles (environ 1 µm) ;
Un noyau ;
Oreille interne.

- Les mélanocytes, ces cellules qui nous font bronzer grâce à la mélanine
La peau est un organe particulier ; elle sépare l’intérieur du corps du milieu extérieur. Elle est donc la première barrière contre les agressions comme les rayons ultraviolets du soleil. Pour se préserver des dégâts que ceux-ci peuvent causer, les mélanocytes synthétisent la mélanine, une molécule qui colore notre peau d’une teinte bronzée, dans des vésicules particulières, les mélanosomes (en jaune sur la photo).
Taille : environ 7 µm ;
Un seul noyau ;
Peau.

Les cellules cancéreuses et la division anarchique
Les cellules se divisent et meurent à un taux relativement constant. Ainsi, l’organisme contient en permanence un nombre identique de cellules. Le tout est sous le contrôle de gènes empêchant la prolifération incontrôlée. Cependant, ils sont parfois victimes de mutations et, dans un certain contexte, les cellules se mettent alors à se multiplier de manière anarchique et incontrôlée. C’est la tumeur, qui peut être bénigne (non cancéreuse) ou maligne (cancéreuse). Parfois, l’organisme parvient tout seul à s’en débarrasser. D’autres fois, malheureusement, ce n’est pas le cas. À l’image, on peut voir trois cellules impliquées dans un cancer du pancréas.
Taille : variable ;
Un seul noyau ;
Différents organes.

Les spermatozoïdes, des cellules mobiles
Dans un passé très lointain, toutes les espèces vivantes étaient aquatiques. À l’émergence de la reproduction sexuée, des cellules flagellées mâles nageaient jusqu’aux gamètes femelles. Nos ancêtres sont sortis de l’eau il y a bien des millions d’années, et ont commencé à développer la fécondation interne. Les femelles ont toujours opté pour une cellule fixe, tandis que les spermatozoïdes des mâles restent mobiles et partent à la conquête de l’ovule à travers des canaux, faisant d’eux des cellules bien particulières. De plus, les gamètes (aussi bien mâles que femelles) sont les seules cellules haploïdes du corps humain : elles ne disposent que de la moitié du patrimoine génétique d’un individu. Leur fusion aboutit à la cellule œuf, disposant donc d’un patrimoine génétique complet avec deux jeux de chromosomes.
Taille : 5 µm pour la tête du spermatozoïde, avec un flagelle de 60 µm de long ;
Un seul noyau, haploïde ;
Testicules.

Les globules rouges, des cellules sans noyau
La particularité des cellules eucaryotes, celles composant tous les organismes non bactériens, est de posséder un noyau au sein duquel est compacté l’ADN, la molécule qui porte l’information génétique. Cependant, il faut bien des exceptions pour confirmer la règle. Ainsi, les globules rouges, qui acheminent dioxygène et dioxyde de carbone dans le sang, perdent ce noyau au cours de leur différenciation et deviennent énucléés. Une particularité qui ne les empêche pas de survivre 120 jours dans nos vaisseaux.
Taille : de 6,5 à 7,5 µm de diamètre ;
Pas de noyau ;
Sang.

La cellule souche embryonnaire et la pluripotence
Les premières cellules de l’embryon doivent se montrer capables d’enfiler n’importe quelle tenue, car elles seront amenées un jour ou l’autre à devenir un globule blanc, un neurone ou une hématie (plus communément appelée « globule rouge »). Dans cet état primitif, les cellules souches embryonnaires sont donc pluripotentes (c'est-à-dire qu'elles peuvent se différencier). Des propriétés rares qui commencent à être exploitées en médecine dans le but de réparer, régénérer voire construire artificiellement des organes pour remplacer ceux qui deviennent défaillants.
Taille : de 8 à 15 µm de diamètre ;
Un noyau ;
Embryon.

La mitose ou division cellulaire
Les cellules ont le pouvoir exceptionnel de se dédoubler par un phénomène nommé « mitose ». Au sein de la cellule mère, des mécanismes se mettent en jeu. Les chromosomes, contenant deux chromatides (donc portant deux fois la même information génétique), sont scindés en deux et répartis équitablement de part et d’autre. Les pôles de la cellule s’écartent et la membrane plasmique fissionne, donnant naissance à deux cellules filles contenant toutes deux le même patrimoine génétique.
Taille variable en fonction des cellules ;
Un seul noyau ;
Dans tous les organes.

De la cellule œuf humaine à l'embryon
Un spermatozoïde et un ovule se rencontrent avant de fusionner : ainsi naît la cellule œuf, ou zygote, la première cellule à l’origine de toutes les autres. Elle se divise une première fois, une deuxième fois, puis à une infinité de reprises. Sous l’influence des gènes, ces cellules naissantes vont peu à peu se différencier et se spécialiser afin de parvenir à cette diversité qui caractérise les organismes complexes que nous sommes.
Taille : environ 100 µm ;
Un seul noyau ;
Première cellule de l’organisme.

How Synapses Work

Le contact entre deux neurones, un lieu stratégique du fonctionnement du cerveau. L'influx nerveux passe d'un neurone en passant par l'axone de l'un (ici en vert) à une dendrite de l'autre (en jaune) au niveau de synapses (les zones de contact, en rouge). Cette structure, dans l'hippocampe d'un rat, a été reconstituée en 3D. L'image est extraite d'une vidéo en anglais visible en cliquant sur le lien ci-contre. © Salk Institute

https://www.youtube.com/embed/maPN_4BF9x8

Salk scientists computationally reconstructed brain tissue in the hippocampus to study the sizes of connections (synapses). The larger the synapse, the more likely the neuron will send a signal to a neighboring neuron. The team found that there are actually 26 discrete sizes that can change over a span of a few minutes, meaning that the brain has a far great capacity at storing information than previous thought.

Reconstitution du contact entre deux neurones de l'hippocampe d'un rat. Un axone (le tube gris) apporte le signal nerveux à une dendrite (en jaune) au niveau des épines dendritiques (sortes de tentacules). Ici, il y établit le contact deux fois, ce qui est rare (les flèches), formant deux synapses (en rouge, ainsi que celles avec d'autres axones, non représentés). Ces deux synapses sont presque identiques, par leur surface, le volume de la tête de l'épine, le diamètre de leur « cou » (en gris) et le nombre de vésicules présynaptiques (les points blancs). C'est ce qui a mené les chercheurs à l'idée que les synapses peuvent présenter des différences faibles mais significatives. © Salk Institute

La tractographie offre la possibilité d’étudier in vivo la substance blanche du cerveau, celle constituée d’axones myélinisés qui relient les régions de matière grise. Cette gaine de myéline, qui entoure les terminaisons nerveuses, permet à l’information d’être propagée plus rapidement. Sur cette image, les faisceaux pyramidaux apparaissent en bleu et les fibres transverses pontocérebelleuses sont colorées en rouge et vert.

La synapse correspond à la zone de connexion entre deux neurones. La communication va toujours dans le même sens : de l’élément présynaptique vers l’élément postsynaptique. En rouge est figuré un marqueur présynaptique tandis que le bleu révèle un marqueur postsynaptique de ce neurone pyramidal.

Il s’agit d’une reconstitution tridimensionnelle d’une boîte crânienne d’une très jeune Homo erectus : l’enfant de Modjokerto, décédé à un an. Grâce à sa solidité, la boîte crânienne protège le cerveau de chocs extérieurs. Jusqu'à une certaine limite…

Les cellules de Purkinje, des neurones du cervelet
Les neurones seraient-ils verts ? Pas vraiment. Il s’agit en réalité de mettre en évidence grâce à la GFP (la protéine fluorescente verte ou green fluorescent protein en anglais) le contrôle des séquences régulatrices de la protéine du prion bovin (agent pathogène), dans les cellules de Purkinje du cervelet de souris transgénique. Cette structure du cerveau, située en position antérieure, est responsable de l’équilibre.

Épines dendritiques d'un neurone
Des chercheurs ont étudié le rôle de la préséniline 1, une protéine dont la mutation est impliquée dans les formes génétiques de la maladie d'Alzheimer touchant des personnes relativement jeunes. Ils ont mesuré l'efficacité de la transmission de l'influx nerveux et compté le nombre d'épines dendritiques. Ces résultats suggèrent que la préséniline 1 aurait une action neurotoxique. Or, des études récentes montrent que dans le cerveau des personnes âgées (atteintes ou non par la maladie d'Alzheimer), la préséniline 1 augmente. Ainsi, lors du vieillissement, elle serait responsable de l'atteinte des fonctions cognitives liées à la mémoire.

Neurones de l'hippocampe et leurs neurotransmetteurs
Ces neurones de l’hippocampe (structure appartenant au système limbique), proviennent de souris et ont été mis en culture. En rouge ont été mis en évidence les canaux potassiques TREK-1, tandis qu’en vert on aperçoit les molécules de GABA, l’un des principaux neurotransmetteurs.

Le transport de l'information nerveuse : des dendrites à l'axone
Ce cliché permet de comprendre pourquoi on parle de neurones pyramidaux. Les dendrites, ces prolongements qui forment des touffes au niveau basal, reçoivent l’information nerveuse, la transmettent au corps cellulaire (le disque noir) qui la fait suivre jusqu’à l’axone, ce long filament très peu ramifié, pour qu’il la transmette au neurone suivant.

Neurones de l'hypothalamus, au cœur du cerveau
Non, ce n’est pas un champ de tournesols coupé en deux par une faille. Il s’agit de neurones de l’hypothalamus, région interne du cerveau impliquée dans de nombreuses fonctions, dont la prise alimentaire.

Réseau de neurones et leurs noyaux
Les neurones en culture, comme dans le cerveau, s’associent et forment un réseau complexe. Chaque disque bleu représente le noyau neuronal, tandis que les prolongements sont mis en évidence par un marqueur biochimique de couleur rouge.

Cerveau d'une larve de mouche et ses corps pédonculés
Ceci n’est pas un homard. Il s’agit d’un cliché pris dans le cerveau d'une larve de Drosophila melanogaster, la mouche du vinaigre. Les corps pédonculés, cette structure au centre de l’image, sont symétriques et se retrouvent dans chaque hémisphère cérébral. Ils sont impliqués dans la mémoire olfactive.

Neurone en culture
Un neurone est une structure complexe. Un corps cellulaire duquel partent tout un tas de ramifications, dendrites et axone qui permettent la communication entre les différentes cellules nerveuses du voisinage.

Image numérisée d'un cerveau de poussin, en fausses couleurs
Un éléphant vu de dessus regardant vers la gauche ? Une limule vue en infrarouge ? Non, il s'agit d'une image numérisée d’un cerveau de poussin en fausses couleurs !

Neurone exprimant la protéine hungtingtine
Les neurones, comme toutes les cellules, synthétisent des protéines. Lorsque celles-ci sont défaillantes, elles causent la mort des neurones. C’est le cas des maladies d’Alzheimer, de Parkinson ou d’Huntington, par exemple. Cette dernière se manifeste par l’accumulation d’une protéine particulière, l’hungtingtine, qui va former des agrégats et détruire les neurones. Sur cette image, le neurone de souris est sain.

L’œil protubérant du caméléon
Les yeux du caméléon peuvent bouger indépendamment l’un de l’autre. Ce reptile est capable de voir deux images distinctes car les informations visuelles provenant de chaque œil ne se rencontrent pas dans son cerveau.

Les grands yeux de la libellule
La libellule possède de grands yeux qui lui permettent de distinguer facilement ses proies. La taille des yeux augmente très rapidement au cours du développement de l'animal.

Les yeux de l’araignée-crabe
Les Thomisidae, ou araignées-crabes, se caractérisent par la taille et la force de leurs pattes antérieures, qui s’étendent, et par leur façon de se mouvoir sur le côté comme le crustacé dont elles ont emprunté le nom. Elles possèdent plusieurs paires d’yeux simples, disposés au-dessus de la tête.

Le regard de l'éléphant et ses grands cils
La vue de l'éléphant n'est pas très puissante mais son regard reste touchant avec ses grands cils et ses petits yeux enfoncés.

La vue sans faille du tigre
Le tigre est l'un des plus puissants prédateurs. Ses yeux lui sont très utiles lors de la chasse. Le félin se fie d'ailleurs davantage à sa vue et son ouïe qu'à son odorat.

Le regard expressif du Labrador
Le retriever du Labrador est plus connu sous le nom de Labrador. Son intelligence, son obéissance, sa douceur et sa vue en font un des meilleurs chiens d'aveugles.

Les yeux composés de la guêpe
Comme toutes les guêpes, Vespula squamosa, ou Southern yellow jacket (manteau jaune du sud en français), possède des yeux composés formés par la juxtaposition de plusieurs centaines d’ommatidies. Cela lui donne un champ de vision très large. En plus de cela, elle possède des yeux simples appelés ocelles au-dessus de la tête.

L'œil du chat, capable de voir dans la pénombre
Le chat est ce que l'on appelle un animal nyctalope, c'est-à-dire capable de voir dans la pénombre. Ses yeux possèdent une membrane réfléchissante leur permettant de capter les sources de lumières les plus infimes. La vision du chat est donc bien différente de celle de l'Homme.

L'œil de l'aigle et sa vue perçante
L'odorat est très peu développé chez l'aigle. En revanche, sa vision est d'une précision redoutable pour ses proies. L’œil d'un aigle adulte possède une vue huit fois plus perçante que celle de l'humain.

L'œil jaune du crocodile
Les yeux des crocodiles, comme ceux des chats, possèdent une pupille verticale. Le crocodile doit la couleur si particulière de ses yeux, d'un jaune métallique, à la présence de cristaux de guanine.

L'œil primitif du nautile et l'évolution de l'œil
Le nautile est un mollusque unique en ce qui concerne la vision. Ses yeux sont considérés comme des yeux primitifs et compteraient ainsi parmi les plus anciens sur Terre. L'œil en trou d'épingle est dépourvu de lentille ; le nautile est le seul animal connu à posséder un œil simple fonctionnant par ombrage. L'intérieur de l'œil est baigné par l'eau de mer alors que les yeux humains sont remplis d'un liquide (l'humeur aqueuse) spécialement fabriqué pour remplacer cette eau.

Les yeux du charançon du chêne, cet insecte xylophage
Arrhenodes minutus, également appelé charançon du chêne, est un insecte coléoptère de la famille des Brentidae, originaire d'Amérique du Nord. L'insecte xylophage est considéré comme un ravageur des chênes (Quercus spp.), notamment à l'est des États-Unis. C'est également le vecteur du champignon Ceratocystis fagacearum, responsable du flétrissement du chêne.

La tarente commune et sa pupille verticale
La tarente commune, ou Tarentola mauritanica, également appelée tarente du midi ou tarente de Maurétanie, est une espèce de geckos repérable à sa pupille verticale.

L'œil de l’abeille, ses ommatidies et ses ocelles
Que voient les abeilles ? Cette question que se pose un grand nombre d’apiculteurs et de scientifiques est loin d’être résolue. Les abeilles possèdent deux yeux composés constitués d’ommatidies et d’yeux simples appelés ocelles.

L'œil et la vision du cheval
Les yeux des chevaux, typiques des herbivores, sont situés sur les côtés de la tête, lui permettant de voir la venue d'un prédateur tout en broutant. Du fait de cette vision latérale, il ne peut cependant voir devant lui qu'en bougeant la tête.

L'œil fixe du poisson
Les poissons ont un meilleur odorat que la vue. Ils auraient en effet une mauvaise vision de loin. Le regard fixe des poissons est lié au fait que leur pupille ne peut se contracter ; cela leur donne un large champ de vision.

Les Cerceris, des insectes au regard étrange
Les Cerceris forment un genre d'insectes hyménoptères ressemblant à de petites guêpes ; ils sont en réalité plus proches des abeilles que des guêpes sociales. Ces espèces de parasitoïdes sont solitaires.

L'œil d'hippopotame
L'œil de l'hippopotame peut en dire long sur son environnement. La position plus ou moins surélevée de l'œil serait, par exemple, un signe permettant de déterminer la dépendance de l'animal vis-à-vis de l'eau.

L'œil de la rainette de Cuba et sa pupille horizontale
La rainette de Cuba (Osteopilus septentrionalis) possède de grands yeux à pupille horizontale. L'iris est brun.

Les yeux de la libellule Calopteryx
Le genre Calopteryx regroupe des insectes odonates. Ce sont des demoiselles, libellules assez frêles aux ailes généralement repliées verticalement au-dessus du corps au repos.