Comment expliquer l’aspect spaghetti du cerveau humain ?

Selon une étude récente, notre cerveau doit probablement sa forme nervurée, proche de celle d’une noix, à l’action de la substance blanche, qui limiterait la croissance rapide des couches externes du tissu cérébral, la matière grise.

D’après les chercheurs, cette structure si particulière composée de stries et de dépressions, appelées gyrus et sulcus, à l’origine de la circonvolution cérébrale, dépendrait de deux paramètres : le taux de croissance de la matière grise et son épaisseur. L’étude a été publiée récemment dans la revue scientifique américaine Proceedings of the National Academy of Science et affirme qu’il a été possible de reproduire les stries du cerveau en laboratoire, grâce à deux couches de gel.

Les scientifiques ont également remarqué qu’en plus de ces limitations d’ordre physiologique, les gènes avaient également leur part de responsabilité. Ces derniers contrôlent en effet la prolifération des neurones ainsi que leurs migrations.

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La superposition des couches cérébrales externes, c’est-à-dire le cortex, se constate chez l’ensemble des mammifères. En revanche, on ne trouve une telle quantité de couches uniquement chez les plus gros mammifères. Chez les rats par exemple, le cerveau présente une surface lisse, alors qu’un cerveau de taille considérablement supérieure, comme celui des êtres humains, possède des dizaines de gyrus et sulcus. Plus de circonvolutions signifie plus de surface, donc une meilleure capacité pour traiter les informations, bien que nous ne soyons pas encore certains des facteurs responsables de l’aspect si caractéristique des gyrus et des sulcus du cerveau humain.

Si les scientifiques pouvaient résoudre le mystère de ce développement en sillons, ils pourraient mieux comprendre les malformations congénitales, comme la polymicrogyrie (un nombre excessifs de sillons) la pachygyrie (des sillons anormalement épais) ou encore la lissencéphalie (une surface trop lisse, sans sillons).

Trois théories principales traitant du développement des gyrus et des sulcus ont été élaborées par le passé. D’après la première, certaines régions du cortex s’étendent plus et en recouvrent d’autres, matérialisant ainsi le gyrus. La deuxième prétend que des groupes de neurones fortement interconnectés au sein du cortex sont attirés automatiquement les uns vers les autres au moyen des axones à l’aspect filamenteux et composent la substance blanche. Ces deux hypothèses ont cependant été invalidées. 

Quant à la troisième, comme l’expliquent les chercheurs, elle considère que la matière grise se développe plus vite que la substance blanche, entraînant une sorte de « ceinturage » auquel le cortex doit sa forme.

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Mais ils précisent que les tentatives de modélisation de ce phénomène de ceinturage se sont révélées infructueuses. Lors de précédentes études, les scientifiques ont pris la matière grise pour cette couche fine et rigide venant s’accroître jusqu’au-dessus de la base molle et épaisse de la substance blanche. Ils sont parvenus à reproduire des sillons, mais ceux-ci n’étaient pas conformes à ceux présents à la surface d’un véritable cerveau.

Pour cette nouvelle étude, les scientifiques sont partis du principe que la matière grise et la matière blanche seraient toutes deux rigides, mais que leur taux de croissance différeraient. Des simulations mathématiques leur ont permis de démontrer qu’en fonction de la taille du cerveau, ils obtenaient différents aspects en surface. Par exemple, il faut s’attendre à une surface plutôt lisse chez un petit cerveau, dont le diamètre est inférieur à 1,3 centimètres. On trouve quelques sulcus dans la matière grise des cerveaux de taille moyenne. Enfin, ceux aux dimensions plus larges compteront plus de sillons, avec les sulcus traversant la substance blanche.

Pour reproduire ce phénomène de sillons, les scientifiques se sont servis d’une double couche de gel gonflant à base de polymère. Ils ont noté que les sillons avaient l’air réalistes si les deux couches présentaient la même souplesse.

Ils ont toutefois fait remarquer que leur modèle expliquent la formation des gyrus et des sulcus, mais qu’il ne peut expliquer d’autres structures plus complexes du cerveau, telles que la scissure inter-hémisphérique, qui sépare les deux hémisphères, ou les gros sulcus qui déterminent les deux lobes principaux du cerveau.