Ginkgo: le remue-mémoire 

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Nous sommes rendus à une partie très intéressante de ce recueil, celle où nous expliquerons enfin comment se fait physiquement le stockage des informations dans le cerveau. Tout le processus de mémorisation dans le cerveau se fait, comme nous l'avons vu un peu auparavant, par un renforcement ou un affaiblissement de l’intensité des connections entre nos neurones: le message passe mieux ou moins bien. Avant de voir comment se fait ce renforcement au niveau biochimique, il est important de voir de façon approfondie la nature du neurone et de ses composantes.

113.jpg (86079 bytes)Les neurones sont plus de 100 milliards à l'intérieur de notre cerveau. Ils constituent en effet la brique du cerveau. C'est grâce à eux si non réfléchissons, si notre cœur bat, si nous pouvons voir, si nous pouvons mémoriser des informations... etc! L'étude de la mémoire passe donc inévitablement par la compréhension des neurones, tout comme celle de la plupart des activités du corps. En effet, puisque tout ce que l'homme fait passe par le cerveau et que les neurones sont l'élément-clé du cerveau, ces cellules prennent donc une importance primordiale pour l'homme. Les neurones ressemblent à un arbre, dénudé de ses feuilles et dont ses racines sont sorties de la terre. En effet, en haut, se trouvent les dendrites, les branches du neurone. Les dendrites établissent des connections avec des milliers d'autres neurones situés plus haut. Un neurone possède en effet entre 1000 à 10000 dendrites. Les dendrites se rejoignent toutes en un point milieu: le corps cellulaire. Celui-ci contient le noyau, qui lui contient tout l'appareil génétique du neurone. C'est dans ce noyau, comme dans celui de toutes les cellules du corps humain, que se trouve l'ADN servant à construire toutes les composantes des neurones. Le noyau se prolonge par un long fil appelé l'axone, qui ressemble au tronc de l'arbre. L'axone est la composante la plus longue du neurone. Chez certains neurones, l'axone peut mesurer en effet plus de 1 mètre de long. L'axone se ramifie en terminaisons axonales: les racines de l'arbre. Finalement, au bout de chaque racine se trouve un bouton synaptique. Les boutons synaptiques établissent une connexion entre eux et les dendrites d'un autre neurone. C'est cette connexion entre deux neurones qui nous intéresse en ce qui a trait à la mémorisation. La connexion entre neurones se fait donc toujours (sauf dans quelques exceptions), entre le bouton synaptique d'un neurone et la dendrite d'un autre neurone. Il y a environ 10000 boutons synaptiques par neurone. Cela veut donc dire qu'il y a 10000 fois 100 milliards de connections dans notre cerveau! Ouf! Fait important à noter, plusieurs boutons synaptiques peuvent se connecter à la même dendrite, c'est pour cela qu'on dit qu'il y a en moyenne entre 1000 à 10000 dendrites par neurone. Nous venons donc de le voir, par leur composantes, les neurones ne ressemblent pas du tout aux autres cellules du corps humain, généralement sphériques. C'est par leur merveilleuse forme que les neurones peuvent communiquer entre eux. Car oui, ils communiquent sans arrêt entre eux, et c'est ce qui permet à l'homme d'être intelligent. Voyons donc comment deux neurones font pour communiquer entre eux.

114.jpg (65042 bytes)Les neurones communiquent toujours de haut en bas: c'est à dire qu'un neurone reçoit de l'information par ses dendrites et les envoie à d'autres neurones par ses synapses. C'est pour cela qu'on dit qu'un neurone qui envoie de l'information par ses synapses est présynaptique, et qu'un neurone qui reçoit de l'information par ses dendrites est postsynaptique. Un neurone peut en fait être à la fois présynaptique et postsynaptique: il peut en effet envoyer et recevoir de l'information. Mais cette information, sous quelle forme se présente-elle? La communication entre les neurones est extrêmement intéressante. Elle fonctionne de façon électrique et chimique et ce au moyen du langage binaire, comme celui des ordinateurs! Voyons donc, des dendrites aux synapses, comment un neurone reçoit ou envoie une information.

Lorsqu'un neurone reçoit une information par une de ses dendrites, il s'y propage un tout petit courant électrique, appelé potentiel local. Il se rend donc jusqu'au corps cellulaire, pour l'inciter à son tour à en envoyer un. Mais le corps cellulaire a besoin de bien plus qu'un simple courant électrique d'une de ses dendrites: en effet, il lui en faut plusieurs en même temps, pour pouvoir atteindre son seuil de déclenchement et envoyer à son tour un bien plus gros courant électrique sur l'axone. En effet, le corps cellulaire possède un seuil de déclenchement qui l'oblige à atteindre un potentiel électrique supérieur à un nombre donné pour pouvoir déclencher un courant électrique sur l'axone, nommé potentiel d'action. Les impulsions captées par les dendrites et voyageant jusqu'au corps cellulaire lui permettent donc, petit à petit, de se rapprocher de son seuil. Si plusieurs dendrites du même neurone captent plusieurs informations, il s'y créera alors plusieurs courants électriques qui seront sûrement assez nombreux pour que le corps atteigne son seuil de déclenchement. Si c'est le cas, un potentiel d'action sur l'axone sera déclenché par le corps cellulaire! Ce potentiel d'action, qui est beaucoup plus intense que les petits potentiels locaux voyageant sur les dendrites, se propagera donc sur l'axone jusqu'à temps d'atteindre les terminaisons axonales où il se divisera et atteindra finalement chacun des boutons synaptiques. Jusqu'à maintenant, tout ce processus était de nature électrique. Mais maintenant, le potentiel d'action étant arrivé aux boutons synaptiques, il va se transformer en signaux chimiques. C'est que les neurones se connectent entre eux, grâce aux dendrites et aux boutons synaptiques mais ne se touchent pas. En effet, un petit espace, appelé fente synaptique, les sépare dans leur connexion. Un bouton synaptique connecté à une dendrite s'appelle donc une synapse. Puisqu'il y a un vide dans la synapse (fente synaptique) et que le potentiel d'action de nature électrique ne peut pas se propager de ce fait, il doit donc être transformé en signaux chimiques! Les boutons synaptiques contiennent donc des substances stockées dans des vésicules et appelées neurotransmetteurs. Lorsque le potentiel d'action arrive aux boutons synaptiques, ceux-ci sont dépolarisés et leur vésicules contenant les neurotransmetteurs fusionnent avec la membrane pour les laisser sortir! Les neurotransmetteurs filent donc à toute allure dans la fente synaptique, arrivent sur les dendrites d'un autre neurone (le neurone postsynaptique) et se fixent sur elles. Il se crée donc de nouveaux potentiels locaux, et le voyage de l'information recommence donc! La communication entre les neurones est tout à fait extraordinaire. Premièrement du fait que la communication se fait de deux façons (électrique et chimique) et deuxièmement du fait que la communication est comme celle des ordinateurs, c'est à dire binaire où c'est tout ou rien! Avant de voir enfin quelles sont les modifications faites aux synapses (connections entre une bouton synaptique d'un neurone et une dendrite d'un autre neurone) lors de la mémorisation, il serait intéressant de comprendre comment de l'électricité (potentiels locaux et d'action) voyage dans nos chers 100 milliards de neurones.

115.jpg (134744 bytes)Le potentiel d'action, souvent aussi appelé influx nerveux, a un extraordinaire moyen de propagation. Lorsque le neu- rone est au repos, il y a plus d'ions sodium à l'extérieur, et plus d'ions potassium à l’intérieur. Ces deux types d'ions sont positifs, mais les ions sodium sont beaucoup plus positifs que les ions potassium, ce qui fait que lorsque le neurone est au repos, c'est-à-dire qu'il ne se propage aucun potentiel d'action sur son axone, l'exté-rieur du neurone est plus positif que l'intérieur. L'axone des neurones est parsemé de nombreuses protéines trans-membranaires, ressemblant à des sortes de pompes, faisant entrer et sortir sélectivement des substances. Il existe des pompes sodium, qui laissent uniquement passer des ions sodium et des pompes potassium, qui laissent uniquement passer des ions potassium. Au repos, ces protéines sont fermées. Mais lorsque le corps cellulaire déclenche un potentiel d'action sur l'axone, les protéines sur l'axone s'ouvrent une après l'autre. Ainsi, la première protéine, qui est une protéine sodium, s'ouvre et laisse entrer par diffusion des ions sodium à l'intérieur du neurone. En effet, les ions sodium, étant plus nombreux à l'extérieur, cherchent à entrer à l'intérieur du neurone aussitôt que la pompe est ouverte, comme un courant d'air froid entre dans la maison l'hiver lorsque l'on ouvre la porte. Puis, la protéine suivante, la protéine potassium s'ouvre et laisse quant à elle sortir par diffusion des ions potassium. Étant plus nombreux à l'intérieur, les ions potassium cherchent donc eux à sortir.

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Puisque maintenant il y a plus d'ions sodium à l'intérieur et plus d'ions potassium à l'extérieur, la membrane est dépolarisée, car il y a plus de charge positives maintenant à l'intérieur, les ions sodium étant plus positifs. Et puisque les pompes de l'axone ne s’ouvrent que lorsque la membrane autour d'elles est dépolarisée, les pompes suivantes s'ouvrent et feront ouvrir les prochaines, et ainsi de suite. C'est donc par entrée d'ions sodium à l'intérieur et par sortie d'ions potassium à l'extérieur, que le potentiel d'action se propage! Pompe par pompe, comme dans un jeu de domino! Après la propagation du potentiel d'action, d'autres pompes, appelées les pompes sodium-potassium, replaceront les ions, à leur site initial, lors du potentiel de repos. L'axone sera de nouveau au repos et prêt à propager un nouveau potentiel d'action. La propagation du potentiel d'action est extraordinaire, car en se propageant, le potentiel d'action ne perd pas du tout d'intensité, donc d'énergie. Les hommes ont bien de la misère à copier cette incroyable conduction d'électricité dans les machines qu'ils créent comme l'ordinateur par exemple. La nature a donc très bien fait les choses. Enfin, le processus de propagation du potentiel d'action sur les terminaisons axonales est le même, tandis que celui sur les dendrites est le même, mais les pompes sont plus éloignées, ce qui entraîne une moins bonne conduction d'électricité de la part des dendrites. Finalement, en ce qui a trait au potentiel local, quand celui-ci est déclenché sur une dendrite par un bouton synaptique connecté à elle, c'est que lorsqu'ils sortent, les neurotransmetteurs se fixent aux pompes à sodium de la dendrite du neurone postsynaptique, les ouvrant et faisant entrer des ions sodium par diffusion, créant ainsi une dépolarisation sur la dendrite et donc un potentiel local.

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Maintenant que nous connaissons les composantes des neurones et l'incroyable communication qui se fait sans arrêt entre eux et qui aboutit à la pensée, à la respiration, à la mémorisation... etc, voyons enfin le processus de mémorisation à travers les synapses. Comme nous l'avons vu précédemment, lorsqu'une information est stockée dans le cerveau, la connexion synaptique entre certains neurones est renforcée: le message passera donc mieux la prochaine fois. Cette caractéristique qu'ont les synapses de devenir plus efficaces ou moins efficaces (en fonction du stimulus) s'appelle la plasticité synaptique. Actuellement, nous connaissons très bien deux phénomènes qui mènent au renforcement des connections entre neurones, aboutissant à la mémorisation. Il s'agit de la potentialisation à long terme où le bouton synaptique d'un neurone présynaptique va augmenter son nombre de neurotransmetteurs et d’un autre processus par lequel le nombre de pompes sur un neurone postsynaptique s’accroît.

 

La potentialisation à long terme (PLT)

Lorsqu'on comprend bien que dans la synapse, c'est grâce aux neurotransmetteurs que le message passe à un autre neurone, on peut supposer que plus il y a de neurotransmetteurs libérés et plus le message passera bien. Hé oui, c'est exactement la fonction de la PLT. En effet, si un neurone veut, par ses connections, coder une information spécifique, il doit renforcer ses connections. Le fait de renforcer ses connections suffit pour coder une information. Pour ce faire, le neurone en question n'a en effet qu’à libérer plus de neuro-transmetteurs par ses synapses. Le message passera donc bien mieux, puisque les neurotransmetteurs agissent comme des clés qui ouvrent des portes; plus on a de clés et plus on peut ouvrir de portes, créant plus de potentiels locaux! Mais comment se fait le processus d'augmentation de neurotransmetteurs dans un bouton synaptique? Le processus est encore une fois extrêmement intéressant.

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Il y a une semaine, vous avez mémorisé une image que vous trouviez très belle.C'est grâce en effet à la PLT que cette mémorisation s'est faite. L'image a été codée, probablement, point par point dans le cerveau. On avait donc une connection synaptique (entre deux neurones) pour chaque point. Voyons donc, le processus qui s’est mis en jeu grâce à deux neurones connectés ensemble pour mémoriser par exemple, le point au coin de l'image de couleur rouge. Lorsque le point de couleur rouge est passé dans le premier neurone, sous forme d'un potentiel d'action, il s'est rendu jusqu'aux boutons synaptiques. Voici ce qu'il a fait. Le potentiel d'action est arrivé à ce bouton et a dû se faire traduire puisqu'il ne pouvait pas voyager dans la fente synaptique. Il a donc dépolarisé les vésicules du bouton synaptique en faisant entrer des ions sodium par les pompes. Ces vésicules, dépolarisées, se sont donc fusionnées avec la membrane du bouton, laissant ainsi les neurotransmetteurs qu'elles contiennent (du glutamate par exemple) sortir et se rendre jusqu'à la dendrite du neurone postsynaptique connecté à ce bouton synaptique. Rendues là, les molécules de glutamate se sont chacune liées aux protéines, comme une clé dans une serrure. La porte s'est donc ouverte, les pompes sodium ont donc fait entrer des ions sodium, dépolarisant la dendrite et créant ainsi un potentiel local. Ce processus, nous venons de le comprendre précédemment. Mais, en plus d'ouvrir des pompes à sodium, les molécules de glutamate se sont fixées à d'autres pompes, des pompes à calcium et les ont fait ouvrir. En s'ouvrant, ces protéines ont fait entrer, par diffusion, des ions calcium, on l'aura deviné.

Il y a donc maintenant des ions calcium dans la dendrite du neurone postsynaptique. Les ions calcium vont produire deux actions dans la dendrite. Premièrement, le fait qu'ils soient à l'intérieur de la dendrite va libérer un gaz: le NO, monoxyde d'azote. Celui-ci va diffuser à travers la membrane et va se rendre au bouton synaptique. Par un processus complexe, il va favoriser la fabrication de glutamate par le neurone. Il y aura donc plus de vésicules à glutamate dans le bouton synaptique. La mémorisation aura donc eu lieu. Lorsqu'un potentiel d'action va repasser, il libérera plus de neurotransmetteurs, et cela mènera éventuellement à la récupération du point de l'image! En plus de cela, les ions calcium qui sont entrés auparavant à l'intérieur de la dendrite, aideront encore une fois, par un autre processus, au renforcement de la connection, donc à la mémorisation. En effet, arrivés dans la dendrite, ils y activeront des protéines kinases. Celles-ci, activées, phosphoryleront les pompes à sodium: elles fixeront à chacune un groupement phosphate. Maintenant qu'elles sont phosphorylées, lorsque des neurotransmetteurs se fixeront sur elles, les pompes sodium agiront encore plus fortement, en faisant entrer beaucoup plus de neurotransmetteurs! Cela mènera donc encore une fois au renforcement de la connection. L'arrivée des ions calcium aura donc fait mettre en jeu deux processus: 1-la libération du gaz NO qui fera à son tour fabriquer plus de neurotransmetteurs par le bouton synaptique, 2- la phosphorylation des pompes à sodium, les rendant encore plus stimulables et favorisant une plus grande entrée éventuelle d'ions sodium! La connection aura donc été renforcée, et quand Gilles repensera à l'image, un nouveau potentiel d'action repassera par cette connection, et sera amplifié par la synapse. Il se propagera donc avec une plus grande intensité sur le neurone postsynaptique, conduisant à la récupération de l'image. Point par point, l'image sera reconstituée, grâce aux connections entre les neurones qui auront été renforcées et qui amplifieront les potentiels d'action! Ce processus est tout à fait fabuleux! Imaginez le nombre de connections mises en oeuvre uniquement par un processus comme celui-ci de mémorisation d'une simple image!

 

La fabrication de protéines

Maintenant que nous avons compris le premier processus de mémorisation, c'est à dire la PLT, voyons celui qui est mis en jeu entre autre par l'acétylcholine. Comme nous l'avons vu précédemment, dans le système limbique, pour qu'une information soit stockée dans sa zone respective, on envoie souvent de l'acétylcholine à des neurones spécifiques, renforçant ainsi leurs connections. Voyons donc comment se fait le renforcement de ces connections, cette fois-ci grâce à l'acétylcholine. Le système limbique envoie une impulsion à un neurone à acétylcholine connecté entre lui et la zone visuelle du cerveau, pour faire mémoriser une information concernant une image à un neurone spécifique. Un potentiel d'action se propage donc dans le neurone à acétylcholine dont on parle, jusqu'à son bouton synaptique. Rendu là, le potentiel d'action doit, comme d'habitude, être traduit en signaux chimiques pour pouvoir passer à l'autre neurone. Il dépolarise donc le bouton synaptique et de ce fait, les vésicules qu'il contient. Celles-ci fusionnent, comme d'habitude, avec la membrane, laissant sortir les neurotransmetteurs qu'elles contiennent : de l'acétylcholine. Ces molécules vont se fixer aux protéines sur la dendrite du neurone postsynaptique connecté au bouton synaptique. Comme une clé dans une serrure, elles ouvrent donc les pompes à sodium qui laissent entrer des ions sodium, dépolarisant ainsi la dendrite et créant ainsi un potentiel local. Mais en plus de cela, les molécules d'acétylcholine se fixent à d'autres pompes spécialisées. Celles-ci, activées par la fixation d'acétylcholine sur elles commencent donc leur travail: activer des protéines kinases qui étaient au repos à l'intérieur de la dendrite. Activées, les protéines kinases font un long voyage et se rendent jusqu'au noyau du corps cellulaire. Elles y entrent par ses pores et vont phosphoryler des molécules encore inconnues. En effet, elles leur fixent des groupements phosphates et elles deviennent de ce fait activées! Elle se rendent donc jusqu'à l'ADN, copient un gène spécifique qui va se rendre jusqu'aux ribosomes du cytoplasme. Ceux-ci, voyant l'ARN-messager (copie du gène) qui leur indique de fabriquer des pompes à sodium, vont donc en fabriquer, acide aminé par acide aminé. Ces acides aminés vont, via le réticulum endoplasmique, se rendre jusqu'à l'appareil de Golgi, où ils seront enfin assemblés en pompes à sodium. Ces pompes vont ensuite être acheminées à une autre dendrite du même neurone! Il y aura donc beaucoup plus de pompes à sodium sur cette dendrite et le message passera éventuellement beaucoup mieux! La PTL que nous avons décrite plus tôt augmente le nombre de neurotransmetteurs dans le bouton synaptique, donc augmente le nombre de clés. La fabrication de protéines quant à elle augmente le nombre de pompes à sodium, donc le nombre de portes! Plus on a de pompes à sodium et plus il se crée de potentiels locaux sur la dendrite, augmentant les chances du corps cellulaire d’ atteindre son seuil de déclenchement et de créer de ce fait un potentiel d'action! Plus on a de portes et plus le message passe bien! La connection entre les deux neurones a donc été renforcée, grâce au neurone à acétylcholine sur la connection voisine. Ce processus est encore une fois extrêmement intéressant et très logique. On le constate par ces deux exemples, la nature a très bien fait les choses!

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Nous venons de le voir dans ce chapitre, la mémorisation est une extraordinaire activité du cerveau et la pensée repose sur elle. Nous avons pu distinguer les types de mémoire mis en action chaque jour dans la vie quotidienne, les zones du cerveau impliquées dans les mémoires explicite et implicite, et finalement le processus de mémorisation d'informations grâce aux renforcement des connections de neurones spécifiques et ce, grâce à deux processus: la potentialisation à long terme et la fabrication de protéines. Maintenant, nous pouvons passer au deuxième chapitre de ce recueil et tenter de mieux comprendre une maladie qui ravage cette si belle activité du cerveau, la maladie d'Alzheimer.

 

Aide-mémoire

  • Les neurones sont plus de 100 milliards dans notre cerveau. Ils sont en fait la brique du cerveau, et c’est eux qui nous permettent de penser, de voir, de mémoriser…
  • Leur composantes sont en partant du haut : 1-les dendrites, servant à capter des potentiels locaux d’autres neurones, 2- le corps cellulaire, servant à déclencher un potentiel d’action lorsqu’il atteint son seuil, 3- l’axone, servant à propager le potentiel d’action jusqu’aux synapses, et 4- les synapses, servant à traduire le potentiel d’action en signaux chimiques à l’aide de neurotransmetteurs et à les envoyer à des milliers d’autres neurones.
  • Lorsqu’il y a une mémorisation dans notre cerveau, il se crée un renforcement de la connection entre 2 ou plusieurs neurones. Pour cela, il existe deux moyens : la potentialisation à long terme et la fabrication de protéines.
  • La potentialisation augmente le nombre de vésicules synaptiques et donc le nombre de neurotransmetteurs, en faisant diffuser du gaz NO à la synapse en question et ce, grâce à l’entrée d’ions calcium dans la dendrite connectée.
  • La fabrication de protéines se résume quant à elle par l’augmentation de protéines sur la dendrite d’un neurone et ce, grâce à la libération d’acétylcholine d’un autre neurone, ayant fait activer des protéines kinases et une molécule encore inconnue. Celle-ci va copier un gène de l’ADN du noyau d’un neurone, vers un ribosome pour qu’il crée de nouvelles protéines. Celles-ci sont finalement assemblées et acheminées au neurone en question par l’entremise du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi.

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© David Laflamme, davidlaflamme@videotron.ca, école secondaire Montcalm, expo-sciences 1999