On sait aujourd’hui que le coronavirus SARS-CoV-2 est capable d’infecter de nombreux organes. Y compris l’un des mieux protégés d’entre eux, le cerveau. Directeur de recherche, Vincent Prévot est responsable du laboratoire Inserm “Développement et plasticité du cerveau neuroendocrine”, une composante d’un réseau de recherche européen ERC spécialisé dans l’étude du contrôle du métabolisme par le cerveau. Avec ses partenaires allemands et espagnols, ce neuroscientifique a élucidé la façon dont le virus du Covid-19 s’introduit dans cet organe sensible. Entretien mené par The Conversation

Dès le début de la pandémie, vous avez émis l’hypothèse que le coronavirus SARS-CoV-2 était capable de s’attaquer au cerveau. Comment vous est venue cette idée ?

Vincent Prévot : En 2020, comme tout le monde, nous avons été pris de court par l’arrivée de ce virus respiratoire. Nous avons alors réfléchi à la meilleure façon d’acquérir de la connaissance sur cette nouvelle maladie.

À cette époque, l’hypothèse que le virus puisse causer des dommages au cerveau n’était pas la plus en vogue, loin de là. On voyait les gens mourir d’insuffisance respiratoire ou de défaillance multiorganes, et peu de gens imaginaient que le virus était capable de passer dans le sang, donc, potentiellement, dans le liquide céphalo-rachidien, qui baigne le cerveau.

C’était d’autant moins vraisemblable que le cerveau est normalement protégé par la barrière hémato-encéphalique, une barrière physique et métabolique qui l’isole en empêchant notamment le contact direct avec le sang (ce qui limite les risques qu’un microbe qui y serait présent n’atteignent le cerveau). Pourtant, plusieurs observations nous ont amenés à considérer comme probable l’infection du cerveau par le SARS-CoV-2.

Tout d’abord, les premières données collectées indiquaient que les patients qui développaient les formes les plus graves de Covid-19 étaient majoritairement des hommes, et qu’ils étaient souvent atteints d’obésité et de diabète. Or, on sait que le cerveau contrôle en partie le dimorphisme sexuel (les différences entre hommes et femmes), notamment via l’hypothalamus. Cette structure cérébrale joue un rôle important dans de nombreux mécanismes physiologiques (régulation de la température du corps, du sommeil, de la prise de nourriture, de l’équilibre en eau, des rythmes circadiens, la reproduction…), et elle est aussi impliqué dans l’obésité et le diabète.

Il nous a donc semblé intéressant d’aller vérifier ce qui se passait à ce niveau en cas d’infection par le SARS-CoV-2. Et ce d’autant plus qu’à certains endroits de l’hypothalamus la barrière hématoencéphalique s’interrompt, pour laisser passer librement dans le sang les neurohormones produites par cette structure cérébrale. On peut donc imaginer que le virus puisse lui aussi passer par là…

Une autre structure cérébrale a également très vite attiré notre attention : le bulbe olfactif, qui traite les informations liées aux odeurs. En effet, il est apparu très tôt durant la pandémie que la perte de la capacité à percevoir les odeurs (anosmie) était un symptôme caractéristique du Covid-19. C’est parce que durant l’infection, le coronavirus SARS-CoV-2 cible l’épithélium olfactif, la muqueuse de la cavité nasale qui détecte les molécules odorantes.

Or, cet épithélium est directement connecté au bulbe olfactif, situé dans le cerveau. Là encore, nous avions une porte d’entrée possible pour le virus.

Vos partenaires allemands ont également identifié une troisième voie d’entrée, éclairant certains effets du SARS-CoV-2 sur le cerveau…

Oui. Ils ont étudié ce qui se passait chez des souris qui avaient été modifiées génétiquement pour produire, au niveau des cellules qui tapissent l’intérieur des vaisseaux sanguins cérébraux (cellules « endothéliales »), une enzyme virale indispensable au cycle de vie du SARS-CoV-2, la protéine Mpro.

Leurs travaux ont montré que Mpro s’attaque à une protéine produite par les cellules endothéliale, la protéine Nemo. Or, la destruction de Nemo désactive une voie métabolique indispensable à la survie de ces cellules. Résultat : elles meurent progressivement, ce qui endommage les vaisseaux sanguins, dont ne subsiste au final que le « squelette ».

La barrière hémato-encéphalique est ainsi rompue, et le sang, qui normalement n’accède jamais directement au cerveau, commence à fuir par ces vaisseaux « fantômes », créant des hémorragies microscopiques. Pire : une fois que les vaisseaux sont complètement morts, le sang n’y circule plus. Certaines zones du cerveau ne sont alors plus irriguées correctement.

Ce type de vaisseaux fantômes a aussi été retrouvé dans le cerveau de souris infectées par voie nasale par le coronavirus SARS-CoV-2.

Est-ce que ces résultats ont pu être vérifiés chez l’être humain ?

Oui. Nos collègues allemands ont pu avoir accès à des échantillons de cerveau provenant de malades décédés du Covid-19. En les comparant avec des échantillons de cerveau « témoins », morts d’autres causes, ils se sont aperçus que, comme chez la souris, les cerveaux des patients covidés contenaient davantage de vaisseaux fantômes que les autres.

Soulignons ici qu’accéder à ce type d’échantillon n’a pas été simple. Durant la première vague de la pandémie, les médecins, submergés par le flot des patients admis en réanimation, étaient très affectés. Dans un contexte aussi dur, il était difficile de demander aux patients qui entraient en réanimation ou à leur famille si, dans l’éventualité d’un décès, ils acceptaient une autopsie afin de faire avancer la science…

En outre, les corps des malades qui n’ont pas survécu à la maladie ont été traités très différemment selon les pays. En Italie, tous les cadavres ont été incinérés. En Allemagne, en revanche, de nombreuses autopsies ont été réalisées (plus de 300 cerveaux de personnes décédées du Covid ont pu être collectés). En France, les anatomopathologistes de notre équipe, qui travaillent dans le service de neuropathologie du CHU de Lille, ont réussi à convaincre les autorités de les laisser accéder à des cerveaux autopsiques de patients morts du Covid-19.

Nous avons de cette façon pu commencer à travailler dès juin 2020 sur les cerveaux de quatre patients décédés.

La destruction des cellules qui tapissent l’intérieur des vaisseaux sanguins cérébraux a-t-elle pu contribuer au décès des malades ? Ou entraîner des problèmes tels qu’accidents vasculaires cérébraux (AVC), voire accidents cardio-vasculaires ?

Les vaisseaux sanguins situés ailleurs que dans le cerveau ne seraient pas concernés par ce type de destruction, car la protéine Nemo, qui est attaquée par l’enzyme Mpro du virus, n’y joue pas un rôle aussi crucial que dans les vaisseaux sanguins cérébraux.

En revanche, on a effectivement observé dans le cerveau de certains patients des ruptures de vaisseaux assez sévères. On peut tout à fait imaginer que, dans les cas d’infections les plus graves, les hémorragies résultantes puissent contribuer au décès des patients, en plus des atteintes respiratoires et des autres défaillances. Des AVC ont aussi été observés.

Le cas d’un des quatre patients dont nous avons étudié le cerveau est particulièrement frappant. Le dossier médical de cette personne nous a appris que peu de temps avant de contracter le Covid-19, elle avait commencé à développer une démence vasculaire. Cette maladie liée au vieillissement évoluant très lentement, elle aurait pu vivre encore 10 ans, voire davantage.

Malheureusement, l’infection par le SARS-CoV-2 a dramatiquement accéléré les choses : une fois que ce patient a été contaminé par le coronavirus, son état s’est rapidement dégradé. Il est décédé en 6 semaines, en passant – en accéléré – par tous les stades de la démence vasculaire.

Un article scientifique décrivant ce cas clinique particulièrement singulier est en cours de publication, afin d’informer la communauté scientifique que de telles situations peuvent exister. Il faudra ensuite mener des études plus approfondies pour connaître la fréquence de ce type d’événements.

Une autre de nos découvertes suggère que la voie sanguine est importante lors de l’infection cérébrale : l’administration de mélatonine (à des doses élevées, pharmacologiques, pas aux doses habituelles de l’organisme) aux animaux, avant infection, diminue grandement la capacité du virus à gagner le cerveau, et empêche la mort des cellules endothéliales. La mélatonine est une hormone naturellement sécrétée dans le sang par la glande pinéale, qui se trouve au-dessus du cerveau.

Cette étude, menée avec nos collègues de l’Institut Cochin, suggère qu’elle pourrait exercer son effet protecteur sur les vaisseaux cérébraux, à la fois en diminuant l’expression des protéines facilitant l’infection du virus et en jouant en quelque sorte un rôle de « grain de sable » interférant avec l’arrimage du SARS-CoV2 sur la cellule dont il cible l’infection.

Nous aurions aimé étudier plus avant ce point, en utilisant notamment les cohortes de patients américains, car la mélatonine est utilisée comme complément alimentaire aux États-Unis. Malheureusement, cette molécule est prise sous des formes et des posologies très différentes d’une personne à l’autre. Pour déterminer si elle pourrait éventuellement avoir un intérêt, il faudrait monter des études plus sélectives au niveau des critères d’inclusion. Soulignons que pour l’instant, aucune preuve scientifique n’accrédite l’intérêt de la prise de mélatonine pour se protéger du Covid-19.

Les personnes qui font des formes peu sévères sont-elles aussi concernées par le risque d’atteinte cérébrale ?

Très probablement, si l’on se base sur les résultats que nous avons obtenus chez le hamster.

Il faut savoir que cet animal, qui peut, comme l’être humain, être infecté naturellement par le coronavirus SARS-CoV-2, n’est jamais victime de formes sévères. Tout au plus est-il légèrement malade pendant quelques jours, avant de guérir.

Lorsque nous avons examiné des cerveaux de hamsters covidés 20 jours après l’infection par le virus, nous n’avons pas constaté la présence de vaisseaux fantômes. Nous étions alors plutôt optimistes.

Mais lorsque, par acquit de conscience, nous avons regardé ce qui se passait au moment du pic de l’infection, quatre jours après l’entrée du virus dans l’organisme des rongeurs, nous avons eu une mauvaise surprise : les vaisseaux fantômes étaient bel et bien présents dans leur cerveau !

Ces observations constituent à la fois une bonne et une mauvaise nouvelle. La bonne, c’est que le phénomène des vaisseaux fantômes pourrait être réversible, au moins en ce qui concerne les atteintes mineures de la maladie. La mauvaise nouvelle, c’est que même dans le cas de formes peu sévères de Covid-19, ou de formes asymptomatiques, des microruptures de la barrière hémato-encéphalique (et donc des microperfusions de sang dans le cerveau) pourraient se produire.

Pendant cette courte période, ces régions du cerveau et les neurones qui y sont présents peuvent être fragilisés. Reste à vérifier ce qui se passe précisément chez l’être humain…

Quelles pourraient être les conséquences de ces ruptures microscopiques ?

Certains neurones peuvent mourir, d’autres peuvent moins bien vieillir. Cela pose la question de savoir si l’infection par le SARS-CoV-2 n’aura pas des conséquences sur le vieillissement de notre cerveau, dans 20 ou 30 ans.

Une étude anglaise publiée récemment dans la revue Nature est particulièrement frappante. Avant la pandémie, ses auteurs avaient prévu d’étudier par IRM le vieillissement du cerveau, en mobilisant une cohorte de 300 participants. Après la première IRM, la première vague de coronavirus a déferlé. Lorsque les patients ont été convoqués à nouveau pour l’IRM suivante, la moitié avait contracté le virus. Les nouvelles IRM ont alors révélé que, chez les gens qui avaient été infectés par le SARS-CoV-2, certaines structures cérébrales avaient changé de forme. En outre, les performances cognitives étaient parfois détériorées, surtout chez les participants les plus âgés.

À ce propos, nous sommes particulièrement préoccupés par ce qui pourrait se passer chez les enfants. Grâce à des travaux financés par l’ANRS et la Fondation pour la Recherche médicale, nous avons en effet pu étudier plus précisément un type particulier de neurones, les neurones à GnRH. Durant la vie fœtale, ces neurones prennent naissance dans le nez, puis migrent dans le cerveau. Ils contrôleront à l’âge adulte la fonction de reproduction.

Nous avons découvert que ces neurones à GnRH expriment fortement le récepteur ACE2, qui est utilisé par coronavirus SARS-CoV-2 comme « serrure » pour s’introduire dans les cellules. On peut donc craindre que ces neurones soient attaqués et détruits par le virus. Cela pourrait poser problème, car en temps normal, leur activation une semaine après la naissance est à l’origine d’un phénomène appelé « mini-puberté ».

Cette période du développement, qui existe chez tous les mammifères, correspond à la première activation des ovaires et des testicules, qui aboutit à la première sécrétion d’hormones stéroïdes gonadiques (œstrogènes et testostérone). Ces deux hormones exercent à leur tour une rétroaction sur le cerveau. Nous ne savons pas encore quelles sont les conséquences de cette rétroaction sur la maturation cérébrale, mais un projet européen est en cours pour le déterminer.

Il s’agira de comprendre si des enfants qui ont une mini-puberté altérée risquent de développer des maladies non communicables, telles que des troubles de l’apprentissage, des problèmes de fertilité, des maladies métaboliques comme le diabète ou l’obésité, etc.

C’est toute la difficulté à laquelle sont confrontés les scientifiques : les informations sur le Covid-19 arrivent de toutes parts. Il faut maintenant constituer des cohortes pour pouvoir extrapoler, déterminer les facteurs de risque, et tirer des conclusions à l’échelle de la population, par classes d’âge, en fonction de l’état de santé, etc. Il est important d’avoir un nombre de participants important pour ce type d’études, car nous avons par exemple remarqué que, chez les souris covidées, l’infection du cerveau n’était pas systématique.

Entretien mené et publié initialement pars The Conversation

Image d’en-tête : Micrographie électronique à balayage d’une cellule apoptotique (en violet, fausses couleurs) infectée par le SARS-CoV-2 (particules jaunes, fausses couleurs), isolée à partir d’un échantillon provenant d’un patient. National Institute of Allergy and Infectious Diseases, NIH

Science infuse est un service de presse en ligne agréé (n° 0324 x 94873) piloté par Citizen4Science, association à but non lucratif d’information et de médiation scientifique doté d’une Rédaction avec journalistes professionnels. Nous défendons farouchement notre indépendance. Nous existons grâce à vous, lecteurs. Pour nous soutenir, faites un don ponctuel ou mensuel.

ou via J’aime l’Info, partenaire de la presse en ligne indépendante

Abonnez-vous à la Newsletter de Science infuse !

L’auteur principal est Tony Wyss-Coreay du département de neurologie et sciences neurologiques de la Stanford University School of Medecine, Stanford aux États-Unis. Cela fait plus de 20 ans qu’il travaille sur le « rajeunissement cérérbral » avec son équipe.

Financement philanthropique

En préambule, notons que les travaux de Tony Wyss-Coray et son équipe à Stanford ont été largement subventionnés par la philanthropie, pour ses recherches sur la « résilience du cerveau » et l’étude de son déclin cognitif : que peut-on faire pour prévenir, retarder, ou inverser ce déclin ?

Avec le temps, le cerveau voit ses capacités décliner en ce qui concerne les fonctions cognitives usuelles. Il est également soumis à des risques croissants de développement de maladie neurodégénératives, comme les démences séniles, maladie d’Alzheimer, maladie de Parkinson,…

Ne pas négliger le LCR dans l’étude du vieillissement cérébral

On s’intéresse beaucoup aux mécanismes physiopatholgiques de l’organe neuronal lui-même, la matière qui constitue le cerveau lui-même, mais un élément clé est également le liquide céphalo-rachidien (LCR) dans lequel le cerveau baigne.
Son étude chez l’animal comme chez l’homme montre que sa composition change énormément au fil du temps et avec le vieillissement. C’est pourquoi les chercheurs ont eu l’idée d’ injecter par perfusion dans le cerveau de souris du « LCR juvénile », c’est-à-dire prélevé chez des souris jeunes.

Ce qui peut être bénéfique par injection dans le LCR est enthousiasmant, car il faut savoir que le cerveau est protégé par la barrière hémato-encéphalique, qui empêche l’accès de nombreux médicaments au cerveau (et aussi d’agents pathogènes bien heureusement, c’est son rôle).

Effets significatifs sur la mémoire

Les résultats montrent effectivement une amélioration de la composition du liquide lui-même mais surtout, des résultats comportementaux significatifs tels que l’amélioration de la mémoire des souris âgées ayant bénéficié de ces injections dans le cadre de l’expérimentation.

Dans quelle mesure ? Pour faire des comparaisons, tenant compte des correspondances d’âge souris-homme, les chercheurs considèrent que les souris qui avaient un âge équivalent à celui d’un humain de 65 ans, ont retrouvé des capacités de mémoire de celui d’un humain de 45 ans.

Faire perdurer les effets bénéfiques

On peut aussi s’interroger sur la durée des effets bénéfiques de ces injections puisque le LCR se régénère naturellement. L’effet n’est-il donc pas très transitoire, une fois le LCR juvénile éliminé ?
La durée de l’expérimentation était ici de quelques semaines. et les effets positifs ont perduré sur cette durée. Pour les auteurs, il est possible que l’effet soit prolongé au-delà, éventuellement en allant vers une étape d’induction par le cerveau lui-même de la production des cellules identifiées comme impliquées dans les processus d’amélioration de la mémoire.

L’enjeu clé de l’identification des facteurs impliqués

On le comprend cette phase expérimentale nécessite, pour aller plus loin, d’identifier les facteurs, substances ou cellules, qui sont impliqués dans cet effet d’amélioration de la mémoire, pour trouver éventuellement des moyens de stimuler le cerveau pour qu’il les fabrique lui-même, ou bien alternativement, pour envisager de les fabriquer synthétiquement afin de pouvoir les administrer comme un produit de « rajeunissement du cerveau ».

Les chercheurs ont identifié au moins un facteur qui semble être impliqué car en l’injectant aux souris, ils ont retrouvé les effets de l’injection de « LCR juvénile ». Ce composé peut être synthétisé.
De là, on peut se mettre à rêver de comprimés « anti-vieillissement cérébral » que l’on prendrait passé un certain âge ou en cas de problèmes de mémoire liés à l’âge. On en est loin, mais l’idée n’est pas du tout farfelue étant donné le résultats de ces recherches. Les chercheurs qui ont mené ces travaux chez l’animal sont plutôt optimistes quant à ces développements.

Élucider les mécanismes physiopathologiques

C’est le principe pour comprendre comment le vieillissement fonctionne mais aussi tous les troubles et maladies que l’on souhaite prendre en charge : déterminer quels sont les facteurs et substances en cause, comment ils agissent, pour savoir comment agir à la source.

Les travaux publiés dans Nature sont le fruit aussi de recherches dans les domaines moléculaires et génétiques qui ont permis d’identifier le facteur cité plus haut, la protéine Fgfl7. Pourquoi les auteurs pensent-ils pouvoir induire le cerveau à la produire ? C’est parce que les neurones (qui eux sont dans la matière interne du cerveau, pas le LCR) fabriquent ce facteur de croissance qui est nécessaire aux fonctionnement d’un type de cellules particulier : les oligodendrocytes.

Et quel est le rôle des oligodendrocytes ? Il est essentiel, il permet la myélinisation des axones en formant une gaine de myéline autour d’eux. C’est vital pour le fonctionnement des cellules neuronales.

L’espoir qui naît avec ces travaux : vivre avec son cerveau en bon état et aussi alerte que le jour de ses 20 ans, pour toute la vie !

Science infuse est un service de presse en ligne agréé (n° 0324 x 94873) piloté par Citizen4Science, association à but non lucratif d’information et de médiation scientifique doté d’une Rédaction avec journalistes professionnels. Nous défendons farouchement notre indépendance. Nous existons grâce à vous, lecteurs. Pour nous soutenir, faites un don ponctuel ou mensuel.

ou via J’aime l’Info, partenaire de la presse en ligne indépendante

Abonnez-vous à la Newsletter de Science infuse !

Un chien lève son museau en l’air avant de poursuivre une odeur. Un moustique zigzague d’avant en arrière avant de se poser sur votre bras pour son prochain repas. Ces comportements ont en commun d’aider ces animaux à « voir » leur monde à travers leur museau.

Alors que les humains utilisent principalement leur vision pour naviguer dans leur environnement, la grande majorité des organismes sur Terre communiquent et découvrent le monde grâce à l’olfaction – leur sens de l’odorat.

Nous sommes membres de Odor2Action, un réseau international de plus de 50 scientifiques et étudiants qui utilisent l’olfaction pour étudier le fonctionnement du cerveau chez les animaux. Notre objectif est de comprendre une question fondamentale en neurosciences : Comment le cerveau des animaux traduit-il les informations provenant de leur environnement pour modifier leur comportement ?

Nous évoquons dans cet article les interconnexions entre les odeurs et les comportements – en examinant comment le comportement influence la détection des odeurs, comment le cerveau traite les informations sensorielles des odeurs et comment ces informations déclenchent de nouveaux comportements.

Détecter les odeurs dans l’environnement

Lorsque l’odeur d’une fleur est libérée dans l’air, elle prend la forme d’un nuage de molécules transporté par le vent, appelé panache. Il rencontre des obstacles physiques et des différences de température en traversant l’espace. Ces interactions créent des turbulences qui divisent le panache odorant en fins filaments qui s’étendent au fur et à mesure que l’odeur s’éloigne de sa source. Ces filaments finissent par atteindre le museau d’un animal ou l’antenne d’un insecte.

Les odeurs qui se fragmentent en filaments sont sources de problèmes pour les animaux qui les utilisent pour trouver de la nourriture ou des compagnons, ou pour éviter les menaces. Il devient difficile d’anticiper précisément d’où vient l’odeur. La source est-elle directement devant, à gauche ou à droite, au-dessus ou en dessous ?

Pour contourner ce problème, les animaux ont développé ce que l’on appelle des comportements de détection active qui améliorent leur capacité à détecter et à trouver des odeurs dans l’environnement.

Lorsque par exemple, une mouche détecte l’odeur d’un fruit ou qu’un moustique détecte le dioxyde de carbone d’un hôte potentiel, les deux insectes se déplacent d’abord dans le sens du vent pour se rapprocher de l’odeur de la source de nourriture. Ils se déplacent ensuite dans un mouvement de méandre et de va-et-vient appelé « coulée » (« casting ») pour trouver d’autres fils odorants avant de remonter au vent. S’ils perdent l’odeur, ils recommencent à lancer jusqu’à ce qu’ils retrouvent l’odeur. Les animaux plus gros, comme les souris et les chiens, alternent également entre des mouvements plus directifs et des actions de recherche plus exploratoires.

Les animaux déplacent également leur museau et leurs antennes pour augmenter leurs chances de trouver une odeur. C’est pourquoi les chiens lèvent leur museau en l’air pour augmenter la quantité d’odeur qu’ils peuvent renifler, et pourquoi les insectes déplacent leurs antennes pour remuer et pénétrer l’air afin d’établir un meilleur contact avec les molécules odorantes.

Lorsque les informations fournies par les odeurs indiquent à l’animal qu’il est proche de la source, la recherche visuelle entre alors en jeu.

Donner du sens aux odeurs

Lorsqu’un animal entre en contact avec un panache odorant, il détecte la présence de ces molécules odorantes grâce à de minuscules protéines appelées récepteurs de l’odorat. Ces récepteurs sont intégrés dans les neurones sensoriels qui tapissent sa cavité nasale ou ses antennes.

Chaque neurone sensoriel ne contient qu’un seul type de récepteur d’odeur. Chaque type de récepteur d’odorat présente une forme différente et un ensemble de propriétés chimiques qui déterminent quelles odeurs peuvent se lier à lui et l’activer. La plupart de ces récepteurs reconnaissent plusieurs odeurs, et la plupart des odeurs peuvent se lier à plusieurs récepteurs différents. Ce qui code l’identité d’une odeur spécifique dans le cerveau est déterminé par la combinaison de récepteurs qui sont activés, et leur force relative d’activation.

Un animal comme une souris possède environ mille types de récepteurs d’odorat. Le fait de disposer d’un grand nombre de ces récepteurs aux formes diverses permet au système de détecter et de distinguer un très grand nombre d’odeurs uniques d’un point de vue chimique, notamment celles que l’animal n’a jamais rencontrées auparavant. La plupart des odeurs présentes dans l’environnement sont souvent un mélange de plusieurs types de molécules différentes. L’odeur de certaines fleurs peut être un mélange de plus de 100 composés chimiques différents.

Lorsqu’une molécule odorante se lie à un récepteur, les neurones sensoriels envoient des signaux électriques spécifiques dans des compartiments du cerveau appelés glomérules olfactifs. Différentes odeurs provoquent des schémas distincts d’activité électrique dans ces régions, ce qui génère une représentation neuronale spécifique de l’odeur dans le cerveau.

Une étape importante dans la compréhension de l’olfaction consiste à comprendre comment différentes classes d’odeurs correspondent à différents schémas de signaux électriques dans le cerveau.

Les experts en neuroscience supposent que, lorsque ces signaux subissent des étapes successives de traitement dans le cerveau, les représentations sensorielles des odeurs sont reformatées de manière à extraire les informations les plus utiles à la survie. Il peut s’agir de savoir si l’odeur provient d’un élément nutritif, indiquant une source potentielle de nourriture, ou d’aider l’animal à identifier si l’odeur provient d’un concurrent ou d’un prédateur potentiel.

Ces représentations sensorielles reformatées constituent la base de la perception des odeurs par les animaux et déterminent les actions qu’ils entreprennent en réponse à ces informations.

De l’odeur à l’action

Une fois que les informations concernant une odeur particulière atteigent le cerveau, elles suscitent souvent des comportements à la fois instinctifs et acquis. Les odeurs qui signalent un danger peuvent inciter l’animal à se figer ou à s’enfuir, tandis que les odeurs d’un membre de la même espèce peuvent inciter l’animal à marquer son territoire ou à se faire la cour.

Dans de nombreux cas, les animaux accomplissent ces tâches avec une précision et une efficacité incroyables. Il est encore courant d’utiliser des chiens/sauvetage de recherche pour retrouver des personnes égarées et des cochons pour trouver des truffes, car les technologies disponibles ne sont pas capables d’être aussi performantes.

Les animaux atteignent ce niveau de performance non seulement parce qu’ils sont capables de détecter et d’identifier une odeur. Ils sont également capables d’intégrer les caractéristiques de l’odeur, comme son intensité, avec des indices environnementaux, comme la direction du vent, et des indices internes, comme la faim. Toutes ces informations sont réunies pour générer des séquences spécifiques de comportements, comme « faire face au vent et avancer ».

Pour comprendre comment l’odeur guide ces comportements, les scientifiques mesurent ou manipulent l’activité cérébrale d’un animal pendant qu’il effectue des actions spécifiques. Pour ce faire, ils utilisent l’imagerie, l’électrophysiologie ou l’optogénétique, qui consiste à activer sélectivement des neurones spécifiques en les éclairant. Ces approches permettent aux chercheurs de comprendre comment les schémas d’activité cérébrale changent lorsqu’un animal modifie son comportement pour poursuivre une odeur, ou comment les indices environnementaux et internes se combinent pour produire une meilleure estimation de l’emplacement de son prochain repas.

Mener la science et la technologie par le bout du nez

Le système olfactif offre une occasion unique de comprendre comment le cerveau traite les informations environnementales et les traduit en comportement. Comparé à d’autres zones du cerveau, le circuit olfactif est plus simple dans sa structure et utilise moins d’étapes de traitement. C’est cette simplicité relative qui permet aux scientifiques comme nous de l’étudier de bout en bout et d’apprendre comment le cerveau fonctionne dans son ensemble.

La compréhension du fonctionnement du cerveau à travers le prisme de l’olfaction pourrait également ouvrir la voie à des développements transformateurs dans les domaines de l’ingénierie, des neurosciences et de la santé publique. Nos recherches devraient accélérer le développement de robots dotés de nez électroniques capables d’utiliser les odeurs pour rechercher des armes chimiques, des marées noires sous-marines et des fuites de gaz naturel dans des pipelines, dans des environnements où il peut être fastidieux ou dangereux pour les humains ou les animaux de se rendre. Les robots pourraient également être capables de rechercher des personnes disparues ou des victimes de catastrophes, ce qui est généralement fait par des chiens dressés.

Article traduit par la Rédaction de Science Infuse, article original paru dans The Conversation

Science infuse est le média d’information en ligne de Citizen4Science, association à but non lucratif d’information et de médiation scientifique doté d’une Rédaction avec journalistes professionnels. Nous défendons farouchement notre indépendance. Nous existons grâce à vous, lecteurs. Pour nous soutenir, faites un don ponctuel ou mensuel.

Une nouvelle étude suggère qu’ils pourraient se trouver dans les connexions entre les cellules du cerveau

Tous les dispositifs de stockage de mémoire, de votre cerveau à la mémoire vive de votre ordinateur, stockent des informations en modifiant leurs qualités physiques. Il y a plus de 130 ans, le pionnier des neurosciences Santiago Ramón y Cajal a suggéré pour la première fois que le cerveau puisse stocker des informations en réorganisant les connexions, ou synapses, entre les neurones.

Depuis lors, les scientifiques en neuroscience ont tenté de comprendre les changements physiques associés à la formation de la mémoire. Mais la visualisation et la cartographie des synapses sont difficiles à réaliser. Tout d’abord, les synapses sont très petites et très serrées les unes contre les autres. Elles sont environ 10 milliards de fois plus petites que le plus petit objet qu’une IRM clinique standard peut visualiser. En outre, il y a environ un milliard de synapses dans le cerveau des souris que les chercheurs utilisent souvent pour étudier le fonctionnement du cerveau, et elles sont toutes de la même couleur opaque à translucide que le tissu qui les entoure.

Cependant, une nouvelle technique d’imagerie mise au point par mes collègues et moi-même nous a permis de cartographier les synapses pendant la formation de la mémoire. Nous avons découvert que le processus de formation de nouveaux souvenirs modifie la façon dont les cellules du cerveau sont connectées les unes aux autres. Alors que certaines zones du cerveau créent plus de connexions, d’autres les perdent.

Cartographie des nouveaux souvenirs chez le poisson

Auparavant, les chercheurs se concentraient sur l’enregistrement des signaux électriques produits par les neurones. Si ces études ont confirmé que les neurones modifient leur réponse à des stimuli particuliers après la formation d’un souvenir, elles n’ont pas pu déterminer avec précision ce qui entraîne ces changements.
Pour étudier comment le cerveau change physiquement lorsqu’il forme un nouveau souvenir, nous avons créé des cartes 3D des synapses du poisson zèbre avant et après la formation de la mémoire. Nous avons choisi le poisson zèbre comme sujet d’expérience parce qu’il est suffisamment grand pour avoir un cerveau qui fonctionne comme celui des humains, mais suffisamment petit et transparent pour offrir une fenêtre sur le cerveau vivant.

Pour induire un nouveau souvenir chez le poisson, nous avons utilisé un type de processus d’apprentissage appelé conditionnement classique. Ce processus consiste à exposer un animal à deux types de stimuli différents simultanément : un stimulus neutre qui ne provoque pas de réaction et un stimulus désagréable que l’animal tente d’éviter. Lorsque ces deux stimuli sont associés suffisamment de fois, l’animal réagit au stimulus neutre comme s’il s’agissait du stimulus désagréable, ce qui indique qu’il a créé un souvenir associatif liant ces stimuli entre eux.

Comme stimulus désagréable, nous avons chauffé doucement la tête du poisson avec un laser infrarouge. Lorsque le poisson remuait la queue, nous considérions que cela signifiait qu’il voulait s’échapper. Lorsque le poisson est ensuite exposé à un stimulus neutre, une lumière allumée, le battement de queue signifie qu’il se souvient de ce qui s’est passé lorsqu’il a rencontré le stimulus désagréable.

Conditionnement (pavlovien) classique

Pour créer ces cartes, nous avons génétiquement modifié des poissons zèbres dont les neurones produisent des protéines fluorescentes qui se lient aux synapses et les rendent visibles. Nous avons ensuite créé des images des synapses à l’aide d’un microscope personnalisé qui utilise une dose de lumière laser beaucoup plus faible que les appareils standard qui utilisent également la fluorescence pour générer des images. Comme notre microscope a moins endommagé les neurones, nous avons pu visualiser les synapses sans perdre leur structure et leur fonction.

Lorsque nous avons comparé les cartes de synapses en 3D avant et après la formation de la mémoire, nous avons constaté que les neurones d’une région du cerveau, le pallium dorsal antérolatéral, développaient de nouvelles synapses tandis que les neurones prédominant dans une deuxième région, le pallium dorsal antéromédial, perdaient des synapses. Cela signifie que de nouveaux neurones s’appariaient entre eux, tandis que d’autres détruisaient leurs connexions. Des expériences précédentes ont suggéré que le pallium dorsal des poissons pourrait être analogue à l’amygdale des mammifères, où sont stockés les souvenirs liés à la peur.

L’image ci-contre montre des neurones dans un cerveau de poisson vivant, avec les synapses colorées en vert. Zhuowei Du et Don B. Arnold, CC BY-NC-ND

Étonnamment, les changements dans la force des connexions existantes entre les neurones qui se sont produits lors de la formation de la mémoire étaient faibles et impossibles à distinguer des changements chez les poissons témoins qui n’ont pas formé de nouveaux souvenirs. Cela signifie que la formation d’une mémoire associative implique la formation et la perte de synapses, mais pas nécessairement des changements de la puissance des synapses existantes, comme on le pensait auparavant.

Supprimer les synapses pourrait-il supprimer les souvenirs ?

Notre nouvelle méthode d’observation du fonctionnement des cellules cérébrales pourrait ouvrir la voie non seulement à une meilleure compréhension du fonctionnement de la mémoire, mais aussi à des pistes potentielles pour le traitement d’affections neuropsychiatriques telles que le SSPT (syndrome de stress post-traumatique) et la toxicomanie.

Les souvenirs associatifs ont tendance à être beaucoup plus puissants que les autres types de souvenirs, comme les souvenirs conscients de ce que vous avez mangé hier midi. En outre, on pense que les souvenirs associatifs induits par le conditionnement classique sont analogues aux souvenirs traumatiques à l’origine du SSPT. Des stimuli par ailleurs inoffensifs, similaires à ce qu’une personne a vécu au moment du traumatisme, peuvent déclencher le rappel de souvenirs douloureux. Par exemple, une lumière vive ou un bruit fort peuvent rappeler des souvenirs de combat. Notre étude révèle le rôle que les connexions synaptiques peuvent jouer dans la mémoire et pourrait expliquer pourquoi les souvenirs associatifs durent plus longtemps et sont plus vivaces que d’autres types de souvenirs.

Actuellement, le traitement le plus courant du SSPT, la thérapie d’exposition, consiste à exposer de manière répétée le patient à un stimulus inoffensif mais déclencheur, afin de supprimer le souvenir de l’événement traumatique. En théorie, cela remodèle indirectement les synapses du cerveau pour rendre le souvenir moins douloureux. Bien que la thérapie d’exposition ait connu un certain succès, les patients sont enclins à rechuter. Cela suggère que le souvenir sous-jacent à l’origine de la réponse traumatique n’a pas été éliminé.

On ignore encore si la génération et la perte de synapses sont effectivement à l’origine de la formation de la mémoire. Mon laboratoire a mis au point une technologie qui permet de supprimer rapidement et précisément les synapses sans endommager les neurones. Nous prévoyons d’utiliser des méthodes similaires pour supprimer des synapses chez le poisson zèbre ou la souris afin de constater si cela modifie ou non les souvenirs associatifs.

Ces méthodes pourraient permettre d’effacer physiquement les souvenirs associatifs qui sous-tendent des états dévastateurs comme le SSPT et la dépendance. Toutefois, avant même d’envisager un tel traitement, il faut définir plus précisément les modifications synaptiques qui codent les souvenirs associatifs. Et il y a évidemment de sérieux obstacles éthiques et techniques à surmonter. Néanmoins, il est tentant d’imaginer un avenir lointain dans lequel la chirurgie synaptique pourrait éliminer les mauvais souvenirs.

Traduction : Rédaction de Science Infuse – article original paru dans The Conversation

Image mise en avant : cerveau de chimpanzé (Wikipedia)

Science infuse est le média d’information en ligne de Citizen4Science, association à but non lucratif d’information et de médiation scientifique doté d’une Rédaction avec journalistes professionnels. Nous défendons farouchement notre indépendance. Nous existons grâce à vous, lecteurs. Pour nous soutenir, faites un don ponctuel ou mensuel.

Attention, nous ne parlons pas ici du célèbre collectif musical britannique qui a officié dans les années 80. Il s’agit ici du livre d’Andrew Doig, professeur de biochimie à l’Université de Manchester, qui vient de sortir et dont le titre signifie en Français « Cette enveloppe charnelle ». Cela aurait pu être sinistre tant il décrit de catastrophes humanitaires, en particulier lorsqu’il s’agit de pandémies et de la description d’infections terribles terrassant les malades.

Car ce livre nous transporte à travers les âges pour découvrir de quoi les gens sont morts au fil de l’histoire de l’humanité, Alors évidemment, les maladies infectieuses sont à l’honneur, et nous invitons vraiment tous les dénialistes et antivax à prendre un peu de recul pour comprendre que pour lutter contre les épidémies, il y a des recettes ancestrales et immuables.
Comme le confinement par exemple. Ah non, pardon, à l’époque, autour des années 1350, on a baptisé cela la quarantaine, mesure créée pour faire face à la pandémie de peste bubonique en Europe. Quarantaine pour 40 jours d’isolement afin de stopper la dissémination du microbe. « Libertaaaaayyyyy » criaient les gens ! Ah non, pardon ça c’est au millénaire suivant, au XXIe siècle, quand des surfeurs de vagues, scientifiques ou politiques, ont instrumentalisé la science, tirant profit des réseaux sociaux les mettant en ligne directe avec les citoyens, pour servir d’outil outil de populisme, pour la gloire, le pouvoir ou l’argent.

Introduction partie 1 du livre + extrait choisi

Un petit tour en France

À l’occasion d’une tournée démographique en Europe à la recherche de données d’espérance de vie, Andrew Doig pose quelques réflexions – cocasses, comme tout au long de l’ouvrage – sur notre cas :

« L’espérance de vie en France a augmenté on moyenne de cinq heures par jour depuis 189. Ainsi, chaque jour, la date de décès d’un Français se rapproche de 24h à cause du temps qui passe, mais recule de 5h grâce à la médecine, la diététique, l’hygiène, un bon gouvernement, le commerce, la paix, etc. »

Qu’est-ce qui a longtemps empêché l’espérance de vie d’augmenter ? les grands fléaux que sont les guerres et les microbes !

Contre ces derniers : antibiotiques et vaccins ont permis de s’affranchir de barrières énormes pour parvenir à vivre jusqu’à la force de l’âge, si ce n’est jusqu’à la vieillesse.

L’auteur développe ainsi largement le sujet de la découverte de la vaccination, et comment elle a sauvé des vies. Mais c’est le « narratif » officiel ça, dire que le vaccin sauve des vies… sans doute des gouvernants sous la coupe de BigPharma ? ah non pardon, La grosse méchante n’existait pas à l’époque de Jenner, et le corollaire : Jenner a fait des expérimentations cliniques sans être grassement payé par elle, du coup.

« Au XIXe siècle, les gens mouraient de maladies infectieuses telles que la variole, la typhoïde et la rougeole ; toutes ces maladies sont heureusement rares aujourd’hui. » Grace à quoi ? la vaccination.

Sédentarisation et promiscuité entre humains et animaux = infections

L’auteur rappelle que très longtemps, l’espérance de vie des humains n’a guère dépassé 30 ans. Parcourant l’histoire des civilisations, il explique que la sédentarisation a permis une vie plus paisiblement et à sa faim, avec l’agriculture et l’élevage, plutôt qu’écoper d’une vie violente et risquée en chassant.

Ce faisant, la proximité entre les hommes se sédentarisant et peuplant des villes, et aussi avec les animaux a permis aux microbes virulents de prospérer, avec des zoonoses et franchissement de la barrière d’espèce.

Enjeux d’avenir

C’est la longévité qui pour Andrew Doig constitue le nouveau défi. Si l’on ne doute pas comme lui que l’on pourra dans l’avenir « se refaire une beauté » en changeant d’organes conservés au frais pour nous avant qu’ils ne dégénèrent, permettant de conserver une enveloppe corporelle garantie fraîcheur, sa conclusion est que la maladie du futur sera celle des démences, séniles et débilitantes, car on ne pourra pas changer le cerveau.

Mais pourquoi ne pas continuer à être optimiste ? Les recherches sur les mécanismes physiopathologiques des démences vont bon train, on sait qu’il ne s’agit pas uniquement de dégénérescence liée à l’âge : des facteurs environnementaux, alimentaires et infectieux peuvent être concernés. On pourrait aussi envisager de remplacer le cerveau ou des pans de cerveau, après tout il s’agit d’un organe. Enfin, on pourrait peut-être s’affranchir de la vieillesse elle-même, puisque les recherches sur son mécanisme avancent également.

Au-delà de ces aspects prospectifs, il est une chose certaine : lisez ce livre jubilatoire et très instructif. On le recommandera particulièrement aux antivax épris de libertayyyy et de complotisme, afin qu’ils réalisent ce qu’ont été les enjeux de la médecine au travers des âges, quels sont les dangers qu’il faut éviter de nier, et combien la science est source de progrès.

Avec plus de 18 mois de pandémie dans le rétroviseur, les chercheurs n’ont cessé de recueillir de nouvelles informations importantes concernant les effets du COVID-19 sur l’organisme et le cerveau. Ces résultats suscitent des inquiétudes quant aux effets à long terme que le coronavirus pourrait avoir sur des processus biologiques tels que le vieillissement.

En tant que scientifique en neuroscience cognitive, mes recherches antérieures ont porté sur la compréhension de la façon dont les modifications cérébrales normales liées au vieillissement affectent la capacité des personnes à penser et à se mouvoir, en particulier dans la force de l’âge et au-delà. Mais au fur et à mesure que les preuves montrant que le COVID-19 pouvait affecter l’organisme et le cerveau pendant des mois ou davantage après l’infection se sont multipliées, mon équipe de recherche s’est intéressée à la manière dont il pouvait également influencer le processus naturel de vieillissement.

Observer la réponse du cerveau au COVID-19

En août 2021, une étude préliminaire mais à grande échelle portant sur les modifications du cerveau chez les personnes ayant été infectées par le COVID-19 a fortement attiré l’attention au sein de la communauté des neurosciences.

Dans cette étude, les chercheurs se sont appuyés sur une base de données existante, la UK Biobank, qui contient les données d’imagerie cérébrale de plus de 45 000 personnes au Royaume-Uni, remontant jusqu’à 2014. Cela signifie, et c’est crucial, qu’il existait des données de référence et des images cérébrales de toutes ces personnes avant la pandémie.

L’équipe de recherche a analysé les données d’imagerie cérébrale, puis a fait revenir les personnes qui avaient reçu un diagnostic de COVID-19 pour des scanners cérébraux supplémentaires. Ils ont comparé les personnes qui avaient contracté le COVID-19 à celles qui ne l’avaient pas contracté, en appariant soigneusement les groupes en fonction de l’âge, du sexe, de la date du test de référence et du lieu de l’étude, ainsi que des facteurs de risque communs de la maladie, tels que les variables de santé et le statut socio-économique.

L’équipe a constaté des différences marquées au niveau de la matière grise, constituée des corps cellulaires des neurones qui traitent les informations dans le cerveau, entre les personnes qui avaient été infectées par le COVID-19 et celles qui ne l’avaient pas été. De façon plus spécifique, l’épaisseur de la matière grise dans les régions du cerveau connues sous le nom de lobes frontaux et temporaux était réduite dans le groupe COVID-19, ce qui différait des caractéristiques habituelles observées dans le groupe qui n’avait pas été infecté par le COVID-19.

Dans la population générale, il est normal de constater un certain changement du volume ou de l’épaisseur de la matière grise au fil du temps avec l’âge, mais les modifications étaient plus importantes que la normale chez les personnes qui avaient été infectées par le COVID-19.

Il est intéressant de noter que lorsque les chercheurs ont distingué les personnes dont la maladie était suffisamment sévère pour nécessiter une hospitalisation, les résultats étaient les mêmes que pour celles qui avaient subi une infection COVID-19 plus légère. Autrement dit, les personnes qui avaient été infectées par le COVID-19 présentaient une perte de volume cérébral même lorsque la maladie n’était pas assez sévère pour nécessiter une hospitalisation.

Enfin, les chercheurs ont également étudié les modifications de performances lors de tâches cognitives et ont constaté que les personnes qui avaient contracté le COVID-19 étaient plus lentes à traiter l’information, par comparaison avec celles qui ne l’avaient pas contracté.

Bien que nous devions être prudents dans l’interprétation de ces résultats en attendant un examen formel par les pairs, la grande taille de l’échantillon, les données avant et après la maladie chez les mêmes personnes et l’appariement minutieux avec des personnes qui n’avaient pas eu le COVID-19 ont rendu ce travail préliminaire particulièrement précieux.

Que signifient ces modifications du volume cérébral ?

Au début de la pandémie, l’une des choses que l’on a signalé le plus couramment chez les personnes infectées par le COVID-19 était la perte du sens du goût et de l’odorat.

Il est frappant de constater que les régions du cerveau qui, selon les chercheurs britanniques, sont touchées par le COVID-19 sont toutes liées au bulbe olfactif, une structure située à l’avant du cerveau qui transmet les signaux relatifs aux odeurs du nez à d’autres régions du cerveau. Le bulbe olfactif est relié à des régions du lobe temporal. On parle souvent du lobe temporal dans le contexte du vieillissement et de la maladie d’Alzheimer, car c’est là que se trouve l’hippocampe. L’hippocampe est susceptible de jouer un rôle clé dans le vieillissement, étant donné son implication dans la mémoire et les processus cognitifs.

L’odorat est également important pour la recherche sur la maladie d’Alzheimer, car certaines données suggèrent que les personnes à risque pour la maladie présentent une réduction de l’odorat. Bien qu’il soit beaucoup trop tôt pour tirer des conclusions sur les effets à long terme de ces modifications liés au COVID, l’étude des liens possibles entre les modifications cérébrales liées au COVID-19 et la mémoire est d’un grand intérêt, en particulier compte tenu des régions impliquées et de leur importance dans la mémoire et la maladie d’Alzheimer.

Perspectives d’avenir

Ces nouveaux résultats soulèvent d’importantes questions qui restent encore sans réponse : Que signifient ces changements cérébraux consécutifs au COVID-19 en ce qui concerne le processus et le rythme du vieillissement ? Et également, avec le temps, le cerveau récupère-t-il dans une certaine mesure de l’infection virale ?

Il s’agit là de domaines de recherche actifs et ouverts, dont certains sont en cours d’étude dans mon propre laboratoire, parallèlement à nos travaux en cours sur le vieillissement du cerveau.

Les travaux de notre laboratoire démontrent qu’avec l’âge, le cerveau pense et traite l’information différemment. En outre, nous avons observé des modifications au fil du temps dans la façon dont les corps des personnes se déplacent et la façon dont les personnes acquièrent de nouvelles compétences motrices. Plusieurs décennies de travaux ont démontré que les adultes âgés ont plus de mal à traiter et à manipuler les informations, comme par exemple mettre à jour une liste mentale de courses d’épicerie, mais qu’ils conservent généralement leur connaissance des faits et du vocabulaire. En ce qui concerne les compétences motrices, nous savons que les adultes âgés continuent d’apprendre, mais plus lentement que les adultes jeunes.

En ce qui concerne la structure du cerveau, nous constatons généralement une réduction de la taille du cerveau chez les adultes de plus de 65 ans. Cette réduction n’est pas localisée dans une seule région. Des différences peuvent être observées dans de nombreuses régions du cerveau. On observe aussi généralement une augmentation du liquide céphalorachidien qui remplit l’espace en raison de la perte de tissu cérébral. En outre, la matière blanche, l’isolant des axones, de longs câbles qui transportent les impulsions électriques entre les cellules nerveuses, est également moins intacte chez les personnes âgées.

L’espérance de vie ayant augmenté au cours des dernières décennies, de plus en plus de personnes atteignent un âge avancé. Bien que l’objectif soit de vivre longtemps et en bonne santé, même dans le meilleur des cas où l’on vieillit sans maladie ni handicap, la vieillesse entraîne des modifications de notre façon de penser et de nous mouvoir.

Apprendre comment toutes ces pièces du puzzle s’assemblent nous aidera à percer les mystères du vieillissement afin de contribuer à améliorer la qualité de vie et le fonctionnement des personnes âgées. Et actuellement, dans le contexte de COVID-19, cela nous aidera à comprendre dans quelle mesure le cerveau peut également récupérer après une maladie.

Traduit par Citizen4Science – Lien vers l’article original