Neurosciences

Dessin de neurones du cervelet de pigeon par Santiago Ramón y Cajal (1899)

Les neurosciences désignent l'étude scientifique du système nerveux tant du point de vue de sa structure que de son fonctionnement, depuis l'échelle moléculaire jusqu'au niveau des organes, comme le cerveau, voire de l'organisme tout entier. Apparues à l'origine comme une branche de la biologie, les neurosciences ont rapidement évolué vers un statut plus interdisciplinaire qui les situent aujourd'hui à la croisée des sciences biologiques, médicales, psychologiques, chimiques, informatiques et mathématiques. Cet élargissement de l'arsenal conceptuel et méthodologique des neurosciences va de pair avec une diversité d'approches dans l'études des aspects moléculaires, cellulaires, développementaux, anatomiques, physiologiques, cognitifs, génétiques, évolutionnaires, computationnels ou médicaux du système nerveux.

Dans les grands media, les neurosciences sont souvent présentés sous l'angle des neurosciences cognitives tout particulièrement via les travaux utilisant l'imagerie cérébrale, bien qu'il s'agisse là d'une sous-partie du champ scientifique que constituent les neurosciences.

Histoire

Article détaillé : Histoire de la connaissance du cerveau.

Le terme de neurosciences apparaît (dans la langue anglaise) à la fin des années 1960 pour désigner la branche des sciences biologiques qui s'intéresse à l'étude du système nerveux et plus particulièrement du point de vue électrophysiologique, comme l'illustrent les travaux des futurs Prix Nobel, David Hubel et Torsten Wiesel qui enregistrent les réponses électriques des neurones du cortex visuel du chat en fonction des images qu'on lui présente. Néanmoins, en tant que discipline scientifique, les neurosciences se situent dans la lignée d'une démarche scientifique bien plus ancienne qui a reçu diverses étiquettes suivant les époques et les méthodes qu'elle a employées.

Bien que le terme date du XX^e siècle, l'étude anatomique du système nerveux hérite directement des travaux des médecins anatomistes de la Renaissance tel André Vésale. Avant cela, de nombreux médecins s'étaient intéressés au fonctionnement du système nerveux et de son lien avec la pensée. Si le nom du « père » de la médecine Hippocrate reste associé à la découverte du rôle du cerveau dans les fonctions mentales, l'histoire de ce qu'on désigne aujourd'hui comme la neurologie et la psychiatrie prend ses origines dans les traités médicaux de l'Égypte ancienne et passe par les écrits des médecins romains (Galien) puis arabo-musulmans (Averroès) pour arriver aux travaux de Descartes. Ces derniers annonceront une époque de progrès scientifiques qui établiront un pont entre la psychologie, l'anatomie et la physiologie avec des conséquences très directes sur la réflexion philosophique des Lumières.

L'étude du fonctionnement du système nerveux sera en effet véritablement lancée au XVIII^e siècle par la découverte de la « bioélectricité » dont le médecin et physicien Luigi Galvani fut l'un des pionniers. Au cours du XIX^e siècle, ces travaux sur l'« électricité animale » connaîtront de grands progrès. Et à la fin du siècle, en 1875, les premières observations de l'activité électrique en lien avec le comportement seront décrites par un médecin anglais, Richard Caton.

Parallèlement, à la fin du XIX^e siècle, ce seront les progrès dans l'optique et la chimie qui permettront de découvrir grâce à la coloration des coupes histologiques du tissu nerveux et leur observation au microscope, la structure et l'organisation des neurones. Deux figures incontournables de cette découverte, Camillo Golgi et Santiago Ramón y Cajal partageront ainsi tous les deux le Prix Nobel de physiologie et médecine en 1906.

Enfin, toujours en cette deuxième moitié du XIX^e siècle, l'étude scientifique des patients souffrant de lésions cérébrales par les médecins Broca ou Wernicke formera les prémisses de la « neurologie expérimentale » et de l'étude des fonctions mentales (on dirait aujourd'hui cognitives) du système nerveux, future neuropsychologie. La découverte de l'aire de Broca en 1861 est ainsi la première démonstration du rôle du système nerveux dans une fonction dite supérieure, à savoir le langage articulé. Et c'est à l'époque où Charles Darwin propose sa théorie de l'évolution que le même Broca s'intéresse de près aux homologies entre le cerveau humain et celui des autres primates.

Historiquement, les neurosciences ont donc d'abord émergé comme une branche de la biologie et de la médecine, philosophiquement inspirée par le scientisme du XIX^e siècle et postulant l'absence de toute cause endogène (auto-générée) du comportement humain.

Avec l'évolution des connaissances scientifiques et des méthodes la chimie, la psychologie, l'informatique et la physique ont par la suite amplement contribué aux progrès de cette discipline. Par ailleurs, il ne faut pas oublier une branche moderne de la philosophie qui a eu et, qui a encore, un impact important sur la façon d'approcher les neurosciences notamment au travers de ce qu'on appelle les sciences cognitives. Un exemple des plus célèbres de la confrontation entre philosophie et neuroscience est la quête d'une localisation de l'âme dans le cerveau. Ainsi, au XVII^e siècle, le philosophe René Descartes utilisait un argument neuroscientifique pour faire de la glande pinéale le siège de l'âme (tout en accordant à cette dernière une existence distincte) : alors que les différentes structures du cerveau possèdent chacune un symétrique dans l'autre moitié du cerveau, ce n'est pas le cas de la glande pinéale . Si les termes de cette question particulière sont aujourd'hui dépassés, l'approche philosophique du scientisme continue de jouer un rôle important sur les paradigmes mis en œuvre dans les neurosciences. (voir infra)

Organisation du champ des neurosciences

Les neurosciences couvrant plusieurs ordres de grandeurs de complexité, on peut les diviser en fonction de celle où l'on travaille. Trappenberg^[1] rappelle ces ordres de grandeur :

• quelques µm : synapses
• 100 µm : neurones
• 1 mm : réseaux élémentaires
• 1 cm : « cartes » (maps)
• 10 cm : ensemble cognitif et moteur spécialisé

Les frontières des diverses disciplines restent relativement floues. Les principales sont données ci-dessous :

• la neuroanatomie caractérise la structure anatomique (morphologie, connectivité...) du système nerveux,
• la neuroendocrinologie étudie les liens entre le système nerveux et le système hormonal,
• la neurophysiologie étudie le fonctionnement physiologique des unités constitutives du système nerveux que sont les neurones,
• les neurosciences cognitives cherchent à établir les liens entre le système nerveux et la cognition,
• la neurologie est la branche de la médecine s'intéressant aux conséquences cliniques des pathologies du système nerveux et à leur traitement,
• la neuropsychologie s'intéresse aux conséquences cliniques des pathologies du système nerveux sur la cognition, l'intelligence et les émotions,
• les neurosciences computationnelles cherchent à modéliser le fonctionnement du système nerveux au moyen de simulations informatiques,
• les neurosciences sociales étudient des mécanismes physiologiques, neurobiologiques et hormonaux qui sous-tendent les comportements sociaux et les relations interpersonnelles.
• la neuroéconomie et la neurofinance s'intéressent aux processus de décision des agents économiques, et notamment l'étude des rôles respectifs des émotions et de la cognition dans ceux-ci. Ces branches sont liées à l'économie comportementale et la finance comportementale.

Les tableaux ci-dessous présentent de manière détaillée les disciplines des neurosciences, regroupées en grandes familles :

• Les sciences biologiques des neurosciences
• Les sciences cognitives
• Les sciences médicales
• L'ingénierie et la technologie des neurosciences
• Et les disciplines récentes

Les sciences biologiques des neurosciences :

Disciplines	Sujets majeurs	Méthodes expérimentales et théoriques
Neurobiologie	L'étude biologique du système nerveux	Toutes les méthodes ci-dessous
Neurodéveloppement	Proliferation cellulaire, Neurogenèse, Guidage axonal, Développement dendritique, Migration neuronale, Facteur de croissance, Jonction neuromusculaire, Neurotrophine, Apoptose, Synaptogenèse	Ovocyte de Xenope, Chimie des protéines, Génomique, Drosophile, Gènes HOX
Neurobiologie moléculaire	Synthèse des protéines, Transport des protéines, Canal ionique
Neurohistologie	Neurocytologie, Glie	immunohistochimie, Microscopie électronique
Neurophysiologie	Potentiel d'action, Synapse, Transmission synaptique, Neurotransmetteurs, Photorécepteurs, Neuroendocrinologie, Neuroimmunologie	PCR, Patch clamp, Clonage moléculaire, Dosage biochimique, Hybridation fluorescente in-situ, Southern blots, Puce à ADN, Protéine fluorescente verte, Imagerie calcique, HPLC, Microdialyse, Génomique fonctionnelle
Neuroanatomie	Système somatosensoriel, Système visuel, Cortex visuel primaire, Système auditif, Système vestibulaire	Dissection, Microscopie photonique, Traçage neuronal
Neuroanatomie fonctionnelle	Audition, Intégration sensorielle, Nociception, Vision des couleur, Olfaction, Système moteur, Moelle épinière, Sommeil, Homeostasie, Vigilance, Attention
Psychophysiologie	Rythmes circadiens	Potentiel évoqué

Les sciences cognitives des neurosciences :

Disciplines	Sujets majeurs	Méthodes expérimentales et théoriques
Neurosciences affectives	Émotions, Motivation, Douleur	méthodes expérimentales de Génétique humaine
Neurosciences comportementales	Génétique comportementale, Psychologie biologique, Équilibre (comportement), Comportement d'agression, Comportement maternel, Comportement sexuel, Homeostasie, Contrôle moteur, Effet activationnel des hormones	Modèle animal, Souris knock-out
Neurosciences cognitives	Vigilance, Attention, Perception, Vision, Audition, Olfaction, Goût, Prise de décision, Langage, Mémoire, Apprentissage moteur	EEG, MEG, IRMf, TEP, SPECT, Stimulation magnétique transcranienne, méthodes expérimentales de Psychologie cognitive, Psychométrie
Neurosciences sociales	Cognition, Emotions, Motivation, Perception sociale, Raisonnement moral, Empathie	modèles théoriques de la Psychologie sociale, Science cognitive, et Biologie; méthodes expérimentales des Neurosciences, Génétique comportementale, Endocrinologie.
Neurolinguistique	Langage, Aire de Broca, Acquisition du langage, Perception de la parole	modèles théoriques de Psycholinguistique, Science cognitive, et Informatique; méthodes expérimentales de Neurosciences cognitives

Les sciences médicales des neurosciences :

Disciplines	Sujets majeurs	Méthodes expérimentales et théoriques
Neuropathologie
Neurologie	Démence, Neuropathie périphérique, Traumatisme médullaire, Traumatisme crânien, Système nerveux autonome, Dépression, Anxiété, Maladie de Parkinson, Amnésie	Essai clinique, Neuropharmacologie, Stimulation cérébrale profonde, Neurochirurgie
Neuropsychologie	Aphasie, Apraxie
Psychiatrie	Addiction

Ingénierie et technologie :

Disciplines	Sujets majeurs	Méthodes expérimentales et théoriques
Neuro-ingénierie	Interface neuronale directe	Électromyogramme
Imagerie cérébrale	Imagerie structurale, Imagerie fonctionnelle	Tomographie par émission de positons, Imagerie par résonance magnétique, Magnétoencéphalographie

Disciplines récentes :

Disciplines	Sujets majeurs	Méthodes expérimentales et théoriques
Philosophie des neurosciences
Neurosciences computationnelles et théoriques	Réseau de neurones, Apprentissage hebbien	Markov chain Monte Carlo, high performance computing

Méthodes

Animation des sections IRM à travers l'axe-Z d'un être humain adulte sain.

Aujourd'hui, l'étude du système nerveux passe par de multiples approches qui suivent deux grandes directions :

• une approche ascendante (ou bottom-up) qui étudie les briques de base du système nerveux pour essayer de reconstituer le fonctionnement de l'ensemble;
• une approche descendante (top-down) qui, en étudiant les manifestations externes du fonctionnement du système nerveux, tente de comprendre comment il est organisé et comment il fonctionne.

Ces deux démarches, ascendante pour la première et descendante pour la dernière, commencent aujourd'hui à se rencontrer à un carrefour formé par l'imagerie cérébrale et plus généralement les neurosciences cognitives. En effet, les techniques d'imagerie cérébrale permettent de déterminer comment une fonction cognitive précise est réalisée dans le système nerveux en mesurant divers corrélats de l'activité neuronale (vasculaire pour l'IRM fonctionnelle, électrique pour l'EEG...) lorsque le sujet (humain ou non) réalise une tâche donnée (écouter un son, mémoriser une information, lire un texte...).

Applications

L'une des activités les plus médiatisées des neurosciences est l'atlas neuro-fonctionnel du cerveau. Une autre en plein essor est la neuropsychologie. Une meilleure connaissance des pathologies neuronales est aussi un domaine considéré crucial. On peut aussi citer le développement de la neuroéconomie.

Dans ce dernier domaine, les recherches auraient montré que certaines décisions dans des domaines censés être rationnels (achats et vente en bourse) seraient souvent liées à de fortes excitations et émotions, mettant en jeu des zones du cerveau associées au plaisir ou à la souffrance. Cela ouvre la voie à l'exploration du rôle des émotions dans le processus de décision quel que soit le domaine.

Questionnements actuels

Bien qu'ayant réalisé de grandes avancées ces dernières décennies, la recherche en Neurosciences a encore de grandes interrogations devant elles. Son plus grand reste et restera de lier la biologie (les neurones) à la psychologie (la conscience, l'esprit, l'intelligence, etc.).

Critiques

Paul Valéry s'est montré sceptique à l'égard de ceux qui affirmaient voir - à son époque - l'esprit au bout de leur bistouri :

« Veuillez donc supposer que les plus grands savants qui ont existé jusqu'à la fin du XVIII^e siècle, les Archimède et les Descartes, étant assemblés en quelque lieu des Enfers, un messager de la Terre leur apporte une dynamo et la leur donne à examiner à loisir (...). Ils la font démonter, en interrogent et en mesurent toutes les parties. Ils font en somme tout ce qu'ils peuvent... Mais le courant leur est inconnu, l'induction leur est inconnue; ils n'ont guère l'idée que de transformations mécaniques. Ainsi tout le savoir et tout le génie humain réunis devant ce mystérieux objet échouent à en deviner le secret, et à deviner le fait nouveau qui fut apporté par Volta (...), Ampère, Oersted, Faraday, et les autres (...) [C'est] ce que nous-mêmes faisons quand nous interrogeons un cerveau, le pesant, le disséquant, le débitant en coupes minces et soumettant ces lamelles fixées à l'examen histologique »

(Variété III, Le bilan de l'intelligence).

Pour leur ambition de comprendre les mécanismes de la pensée selon une vision tirée du monisme anthropologique et du scientisme, les neurosciences font l'objet de critiques qui se rassemblent autour d'une démarche antiréductionniste : selon ces critiques, les neurosciences sous-estiment la différence d'échelle entre leur discipline et des phénomènes qui relèvent jusqu'ici d'autres champs scientifiques comme la linguistique, l'anthropologie, la psychologie, la sociologie ou la psychiatrie. Ainsi par exemple ce que Jean-Pierre Changeux nomme concept dans L'homme neuronal reste encore une extension du percept, très éloignée encore des concepts du niveau étudié en philosophie. Sans mettre en cause l'intérêt de la démarche, ces critiques affirment que les neurosciences crient juste victoire encore un peu tôt.

Si des neuroscientifiques comme Changeux semblent tomber effectivement dans une approche assez réductionniste, d'autres comme le philosophe Daniel Dennett dénoncent ce réductionnisme comme pouvant correspondre à des motivations mercantiles. Les neurosciences cognitives contemporaines essaient en tout cas de tracer des ponts entre l'exploration des mécanismes cérébraux et la richesse des quelques phénomènes cognitifs simples. Nul ne conteste qu'il reste beaucoup à établir avant de pouvoir expliquer une conduite ou un état d'âme aux moyens de ces nouveaux outils scientifiques, en admettant même que cette technique soit la plus simple pour cela (nous n'avons pas besoin par exemple de connaître en détail le cerveau d'un chat pour savoir qu'il se mettra à courir après une souris, pas plus que de connaître la physique du solide pour évaluer la robustesse d'un escabeau).

L'usage de l'imagerie médicale comme outil d'interprétation du comportement humain suscite également un certain scepticisme, car cette démarche est susceptible de confondre la cause et l'effet (l'excitation d'un organe pouvant être le résultat physiologique d'une décision, et non sa cause). Plus généralement, de telles conclusions tirées de l'observation d'un être animé pourraient être entâchées de l'erreur de raisonnement connue sous le nom de petitio principii (où la conclusion de l'expérience résulte directement des postulats métaphysiques du chercheur, voire de ses préjugés sociaux, et non des faits).

Une autre critique concerne la dimension éthique, sociale et technologique des neurosciences. Le problème de la responsabilité sociale de l'activité scientifique n'est pas propre aux neurosciences mais il est exacerbé par la médiatisation des avancées faites dans ce domaine et par la fascination liée à l'idée de transformer non pas l'enveloppe corporelle de l'homme (à ce sujet voir l'article clonage) mais le fonctionnement de son esprit (voir transhumanisme). Certains s'inquiètent ainsi de l'émergence d'un neuromarketing dont l'objectif est d'utiliser les neurosciences pour améliorer l'efficacité des campagnes de marketing : ces recherches trouvent des financements, mais on ne connaît pas les motivations des financiers de cet investissement, ni quel retour ils en espèrent, et pas davantage s'ils ne sont motivés que par la connaissance pure. D'autre part, la remise en question du libre arbitre peut être interprétée comme une remise en cause de la Déclaration universelle des droits de l'homme, justifiant ainsi des restrictions politiques de la part de gouvernements prompts à exploiter ce genres d'occasions, comme cela a été le cas au XX^e siècle avec l'eugénisme.

Il y a cependant en face le souhait de mieux comprendre le mental humain. Le choix d'applications aux découvertes est lié à tout progrès scientifique et n'est en rien spécifique aux neurosciences. Un pouvoir politique bien contrôlé par le citoyen peut tenter de mettre des garde-fous éthiques aux utilisations technologiques ou sociales des progrès scientifiques sans pour autant entraver la recherche. On en revient alors au dilemme bien connu entre les citoyens et les détenteurs de puissance financière - qui sont parfois les mêmes.

Prix Nobel

Plusieurs personnalités scientifiques œuvrant dans le domaine des neurosciences ont été récompensées du Prix Nobel de médecine et de physiologie :

Année	Lauréat(s)	Nationalité	Travaux récompensés
1904	Ivan Petrovich Pavlov	Russie	en reconnaissance de son travail sur la physiologie digestive, grâce auquel la connaissance sur les aspects vitaux du sujet a été transformée et élargie.
1906	Camillo Golgi et Santiago Ramón y Cajal	Italie  Espagne	en reconnaissance de leurs travaux sur la structure du système nerveux.
1914	Robert Bárány	Autriche-Hongrie	pour son travail sur la physiologie et la pathologie de l'appareil vestibulaire.
1932	Sir Charles Scott Sherrington Edgar Douglas Adrian	Royaume-Uni	pour leurs découvertes sur les fonctions des neurones .
1936	Sir Henry Hallett Dale Otto Loewi	Royaume-Uni  Allemagne	pour leurs découvertes relatives à la transmission chimique des signaux nerveux .
1944	Joseph Erlanger, Herbert Spencer Gasser	États-Unis	pour leurs découvertes sur les fonctions hautement différenciées d'une fibre nerveuse isolée.
1949	Walter Rudolf Hess António Caetano de Abreu Freire Egas Moniz	Suisse  Portugal	sa découverte de l'organisation fonctionnelle du mésencéphale comme coordinateur des activités des organes internes. pour sa découverte de la valeur thérapeutique de la lobotomie dans certaines psychoses.
1963	Sir John Carew Eccles Alan Lloyd Hodgkin Andrew Fielding Huxley	Australie  Royaume-Uni  Royaume-Uni	pour leurs découvertes concernant les mécanismes ioniques impliqués dans l'excitation et l'inhibition de les portions périphérique et centrale de la membrane cellulaire des nerfs.
1967	Ragnar Granit Haldan Keffer Hartline George Wald	Suede !Suède  États-Unis  États-Unis	pour leurs découvertes concernant la physiologie primaire et les processus chimiques visuels dans l'œil.
1970	Sir Bernard Katz Ulf von Euler Julius Axelrod	Royaume-Uni  Suede !Suède  États-Unis	pour « leurs découvertes concernant les transmetteurs humoraux dans les terminaisons nerveuses et les mécanismes de leur stockage, relargage et inactivation ».
1971	Earl W. Sutherland, Jr.	États-Unis	pour « ses découvertes les mécanismes d'action des hormones ».
1972	Gerald M. Edelman Rodney R. Porter	États-Unis  Royaume-Uni	pour « leurs découvertes concernant la structure chimique des anticorps ».
1973	Karl von Frisch Konrad Lorenz Nikolaas Tinbergen	Autriche  Autriche  Pays-Bas	pour « leurs découvertes concernant l'organisation et l'incitation des comportements individuels et sociaux ».
1977	Roger Guillemin et Andrzej Wiktor Schally Rosalyn Yalow	France  Pologne  États-Unis  États-Unis	pour « leurs découvertes concernant la production d'hormones peptidiques dans le cerveau » pour « le développement des radio-immuno assays des hormones peptidiques ».
1979	Allan MacLeod Cormack Godfrey Newbold Hounsfield	États-Unis,  Afrique du Sud  Royaume-Uni	pour « le développement de tomographie ».
1981	Roger Sperry David Hubel Torsten Wiesel	États-Unis  États-Unis,  Canada  Suede !Suède	pour « ses découvertes concernant la répartition fonctionnel des hémisphères cérébraux. » pour «leurs découvertes concernant l'analyse des informations dans le système visuel. »
1987	Susumu Tonegawa	Japon	pour « sa découverte du principe génétique de la génération de la diversité des anticorps. »
2000	Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R. Kandel	Suede !Suède  États-Unis  États-Unis,  Autriche	pour « avoir prouvé que la dopamine est le neurotransmetteur dont la déplétion provoque les symptômes de la maladie de Parkinson ». pour « avoir montré comment les neurotransmetteurs agissent sur les cellules et peuvent activer une molécule importante connu sous le nom DARPP-32 ». pour « avoir décrit les bases moléculaires de la mémoire à court terme et à long terme ».
2003	Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield	États-Unis  Royaume-Uni	pour « leur découvertes concernant l'imagerie par résonance magnétique ».
2004	Richard Axel Linda B. Buck	États-Unis	pour « leurs découvertes des récepteurs olfactifs et de l'organisation du système olfactif ».

Article détaillé : Catégorie:Neuroscientifique.

Notes et références

1. ↑ Fundamentals of computational neurosciences, Oxford University Press, 2002, page 4 (introduction). (ISBN 0-19-851583-9 et 9780198515838)

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

• « Neurosciences », sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)
• « Neurosciences », sur le Wiktionnaire (dictionnaire universel)
• « Neurosciences », sur Wikiversity (communauté pédagogique libre)

Bibliographie

• Neurosciences et psychanalyse : in Revue française de psychanalyse, T. 71 n^o 2, avril 2007, PUF, (ISBN 2-13-056158-6)
• Georges Chapouthier, Jean Jacques Matras, Introduction au fonctionnement du système nerveux (codage et traitement de l'information), Éditions MEDSI, Paris, 1982

Articles connexes

• Classement thématique des neurosciences
• Neuroergonomie
• Neurodon

Liens externes

• International Brain Research Organization (IBRO)
• Neurosciences: Les Sciences du Cerveau
• Société des Neurosciences
• Society for Social Neuroscience.
• Canadian Association for Neuroscience
• Canadian Institute of Neuroscience, Mental Health & Addiction (INMHA)
• (fr) Le cerveau à tous les niveaux
• Le cerveau social, nouvel objet d'etude dans la revue Sciences Humaines.
• (en) « Brain voyager tutor » petit logiciel de simulation d'imagerie cérébrale.
• Quel but fondamental poursuivent les neurosciences ?