SCIENCES — L’antidépresseur Prozac facilite la plasticité du cortex visuel

Lyes Bachatene - Département de sciences biologiques

SCIENCES — L’antidépresseur Prozac facilite la plasticité du cortex visuel

« Lorsqu’on visite la Sagrada Família à Barcelone, on est toujours frappé par le nombre de grues qui l’entourent. Le cerveau, c’est la même chose : même adulte, il est un chantier permanent! » — Pierre-Marie Lledo[1].

Le cerveau est sans doute l’organe le plus mystérieux et le plus complexe du corps. Il est bien connu que les facultés cérébrales d’apprentissage sont plus prononcées durant les premières années suivant la naissance. Cependant, grâce aux techniques modernes en neurosciences, on sait aujourd’hui qu’un cerveau adulte possède également d’importants pouvoirs de plasticité dont fait l’objet le cortex visuel entre autres. Ce dernier est un exemple typique de recherches menées dans le but de guérir certaines pathologies liées à la vision. Il est donc important de comprendre les effets de certains médicaments sur la plasticité du cortex visuel.

Depuis des décennies, les neuroscientifiques s’attardent sur des questions fondamentales concernant les mécanismes qui régissent le fonctionnement du cerveau ainsi que les nombreuses maladies cérébrales. Dans le passé, il était dans les mœurs de croire qu’un cerveau adulte ne puisse pas se remodeler de la même manière qu’un cerveau encore en développement. De nos jours, les avancées en neurosciences donnent de nouvelles perspectives sur les capacités de plasticité du cerveau adulte et son organisation complexe en réseaux de neurones. Les expériences portant sur ces étonnantes transformations montrent en effet des récupérations significatives des fonctions cognitives perdues à la suite d’accidents cérébraux, ainsi que des améliorations des aptitudes du cerveau par des exercices d’apprentissage ou de mémorisation. Parmi les fonctions du cerveau, la vision occupe une grande partie; l’aire qui traite les informations visuelles provenant de l’œil est appelée aire occipitale et se trouve à l’arrière du cerveau. Plusieurs recherches ont prouvé que l’aire visuelle, qu’on appelle aussi « cortex visuel », pouvait être remodelée par des phénomènes de plasticité cérébrale[2],[3],5,7 et que diverses substances ou médicaments seraient responsables de cet effet plastique2.

La vision, une harmonie entre l’œil et le cerveau

À près de trois cent mille kilomètres par seconde, la lumière de ces lignes voyage de cette page pour atteindre vos yeux. Elle est traitée par quelques structures de l’œil et est captée par la rétine*. Dans un laps de temps de quelques millisecondes, le flux d’informations arrive à un niveau de traitement cérébral bien spécifique : le cortex visuel. À cette échelle, l’image est traitée de façon à percevoir correctement toutes les caractéristiques de ce que vous lisez en ce moment. Ce processus se répète chaque fois que l’on fixe un objet et qu’on interagit avec le monde extérieur. 

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FIGURE 1 : Exemple d’une image complexe et des différents niveaux de traitement des aires visuelles
Source : Lyes Bachatene


Les scènes visuelles que nous percevons possèdent des propriétés particulières des images telles que la couleur, le contraste par rapport à l’environnement, le contour, l’orientation des objets et leur mouvement. Les neurones du cortex visuel sont ainsi programmés depuis la naissance à répondre à un certain nombre de ces propriétés. Ils déchargent de façon maximale – lorsqu’on présente, au sein de leur champ récepteur, le paramètre de l’image auquel ils sont sélectifs3. Comme le montre la figure 1, le cerveau se compose de plusieurs lobes;  le lobe occipital est le siège principal des processus visuels. Il existe en effet plusieurs aires visuelles, chacune ayant une fonction spécifique. Par exemple, l’aire V1 (ou cortex visuel primaire) se caractérise par la sélectivité des neurones aux différentes orientations. Les neurones de l’aire V4 répondent plus à la couleur des images. Il existe également une zone appelée MT ou aire V5 dont les neurones sont sensibles aux mouvements des objets[4].

Exemple d’une image complexe et des différents niveaux de traitement des aires visuelles Source : Lyes Bachatene

FIGURE 2 : Exemple d’une image complexe et des différents niveaux de traitement des aires visuelles
Source : Lyes Bachatene


La figure 2 montrant un objet complexe (ici un avion) illustre la combinaison des réponses neuronales de chaque aire, de manière à aboutir à une perception exacte de l’objet avec les caractéristiques qui le composent. La forme générale de l’objet est traitée par l’aire temporale, sa couleur est traitée par une aire appelée V4, les différents angles sont perçus par l’aire V1 et si l’objet est en mouvement, c’est l’aire V5 ou MT qui est impliquée. Le processus de traitement combiné de l’ensemble de ces régions visuelles permet une identification complète d’une image perçue.

De la sélectivité à l’orientation

Dans le Laboratoire de neurosciences de la vision, l’équipe du professeur Stéphane Molotchnikoff travaille sur la plasticité cérébrale des neurones du cortex visuel primaire (aire V1). L’un des paramètres d’intérêt est donc l’orientation des objets dans les scènes visuelles. Par exemple, lorsqu’on regarde un objet ou une image complexe composée d’angles divers, un groupe de neurones répond à l’orientation horizontale, un autre groupe à l’orientation verticale… (figure 3). Les neurones synchronisent leur activité sous forme de potentiels d’action afin de fournir au cerveau une image harmonieuse. C’est de cette manière et à plus grande échelle (toutes les autres caractéristiques des objets perçus) que nous interagissons avec le monde extérieur en ce qui concerne ce processus sensoriel : la vision. Nous pouvons donc présenter différentes orientations et ainsi caractériser celle qui est « optimale » au groupe de neurones qu’on enregistre. Pour un neurone particulier, si on présente de manière prolongée une orientation non optimale (évoquant une faible réponse), on peut forcer ce neurone à augmenter ses décharges à cette orientation à la suite d’un apprentissage visuel ou « adaptation visuelle[5] ». Dans ces recherches, des agents antidépresseurs comme le Prozac (fluoxétine) sont utilisés dans le but de comprendre leurs effets dans ce modèle de plasticité.

Courbes d’orientations des réponses neuronales à une image comprenant plusieurs angles Source : Lyes Bachatene

FIGURE 3 : Courbes d’orientations des réponses neuronales à une image comprenant plusieurs angles
Source : Lyes Bachatene


Les effets connus du Prozac

La transmission des messages nerveux au niveau du cerveau s’effectue par l’intermédiaire d’un certain nombre de médiateurs qu’on appelle les neurotransmetteurs*. Des taux équilibrés de ces neuromédiateurs dans le cerveau contribuent au bon fonctionnement de la transmission nerveuse. Il peut cependant survenir des déséquilibres de concentrations de ces neurotransmetteurs, ce qui entraîne des troubles cérébraux parfois très graves, par exemple la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer ou la dépression.

Les antidépresseurs (comme le Prozac) sont des médicaments prescrits à grande échelle à la population dans le but de traiter certaines maladies nerveuses telles que la dépression ou les troubles obsessionnels-compulsifs. Ces médicaments agissent en augmentant la concentration d’un neurotransmetteur : la sérotonine, dont la concentration est basse dans le cas de patients souffrant de troubles de dépression. On appelle ces médicaments des inhibiteurs sélectifs de recapture de la sérotonine (ISRS)[6]. En plus du rôle majeur des antidépresseurs dans les troubles de dépression, des chercheurs2 ont montré que ces substances, le Prozac notamment, contribuent à favoriser certains types de plasticité cérébrale du cortex visuel. Dans nos travaux de recherche, nous étudions les effets des antidépresseurs sur notre modèle de plasticité à la suite d’un apprentissage visuel.

Apprentissage perceptuel

La plasticité cérébrale se définit donc comme étant la capacité du cerveau − dans notre cas, le cortex visuel − à se remodeler et à changer les propriétés de sélectivité des neurones : le cerveau est alors défini comme malléable.

Nous effectuons des enregistrements électrophysiologiques − c’est-à-dire par des multiélectrodes − de l’activité de populations neuronales au niveau du cortex visuel primaire. La présentation des stimuli visuels se fait sur un écran où différentes barres sinusoïdales orientées sont projetées pendant la session d’enregistrement. L’apprentissage perceptuel consiste en la présentation d’une orientation (non optimale) pendant une durée prolongée (12 min)5,[7]. Nous procédons par la suite aux analyses computationnelles des réponses de chaque neurone. L’application de la substance antidépressive (Prozac) se fait de manière locale par un papier filtre imbibé et déposé sur la surface du cortex visuel. Une autre session d’enregistrement est effectuée post-administration du médicament.

Les effets sur notre modèle de plasticité

L’apprentissage visuel conduit à des changements de propriétés optimales des neurones. Lorsqu’un neurone est programmé depuis la naissance à répondre à une certaine orientation, si nous traçons une courbe d’accord qui montre les réponses neuronales en fonction de l’orientation présentée, nous aboutissons à une courbe en cloche qui détermine le stimulus optimal du neurone, c’est-à-dire l’orientation à laquelle il répond maximalement. Nous arrivons à modifier cette propriété en forçant le neurone à mémoriser le nouveau stimulus qu’on projette pendant une durée prolongée, c’est ce qu’on appelle l’adaptation visuelle. De ce fait, on aboutit à un déplacement de la courbe initiale à la suite du processus d’adaptation. Plusieurs cas de figure se présentent : certains neurones déplacent leur courbe en direction de l’orientation imposée (effet attractif), certains autres du côté opposé de l’orientation adoptante (effet répulsif), tandis qu’un certain nombre de neurones n’expriment aucun déplacement de courbe après adaptation. Ces derniers sont des neurones réfractaires.

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FIGURE 4 : Modèle neuronal proposé. Les différentes orientations sont représentées sur un même neurone. Le Prozac agit sur des sites spécifiques en favorisant et inhibant des orientations précises.
Source : Lyes Bachatene


En appliquant de la fluoxétine (Prozac) sur la surface du cortex visuel primaire, nous arrivons à potentialiser (augmenter) l’effet de l’adaptation visuelle en faveur du stimulus imposé, l’effet attractif est facilité. Nous avons montré au cours de cette étude que les neurones qui au départ déplacent leur courbe du côté opposé du stimulus d’apprentissage inversent cet effet répulsif et augmentent leur faculté de mémorisation de cette nouvelle propriété imposée. Un autre résultat remarquable de cette étude est l’effet de facilitation de l’apprentissage sur les neurones réfractaires; l’effet du Prozac est donc d’induire une plasticité à ce type de neurones (figure 4). Pour tenter de mieux appréhender ces mécanismes, nous avons établi un modèle à l’échelle neuronale. Le modèle consiste à représenter chaque orientation au sein du même neurone dans ce qu’on appelle des branches dendritiques. Les effets des antidépresseurs pourraient s’expliquer par des mécanismes de redistribution des réponses à chaque orientation et ainsi favoriser l’expression de certaines orientations aux dépens d’autres qui seraient inhibées7.

En somme, nous avons montré que le Prozac facilite la plasticité cérébrale dans notre modèle de sélectivité à l’orientation. Ceci pourrait avoir un avantage clinique à plus grande échelle après une récupération d’un accident cérébral par exemple, ou dans des phénomènes d’apprentissage cognitif ou de mémoire comme dans certaines maladies (p. ex. Alzheimer). Les neurosciences modernes tentent également de modéliser les mécanismes de fonctionnement du cerveau afin d’expliquer les phénomènes qui régissent les altérations cérébrales. Des recherches sont effectuées dans le but de pouvoir mieux traiter les tumeurs et aider les personnes atteintes à mieux se rétablir. Les gens qui souffrent de troubles mnésiques* pourraient également profiter de programmes interactifs et d’exercices de mémorisation. Les recherches sur la plasticité cérébrale sont d’une importance majeure pour cet organe remarquable dont on ignore encore bien des choses.

 

LEXIQUE

Rétine : membrane se situant dans la partie interne de l’œil. Elle contient des récepteurs qui captent la lumière et la transforme en signal électrochimique.  

Neurotransmetteurs : substances chimiques sécrétées entre les neurones durant la communication neuronale.

Mnésique : se rapporte à la mémoire.

 

RÉFÉRENCES

[1] VINCENT, Jean-Didier et Pierre-Marie LLEDO. Le cerveau sur mesure, Odile Jacob, 2012.

[2] MAYA VETENCOURT, J.F., A. SALE, A. VIEGI, L. BARONCELLI, R. DE PASQUALE, OF. O’LEARY, E. CASTREN et L. MAFFEI. « The Antidepressant Fluoxetine Restores Plasticity in the Adult Visual Cortex », Science, vol. 320, 2008, p. 385-388.

[3] HUBEL, D. H. et T.N. WIESEL. « Receptive Fields of Single Neurones in the Cat’s Striate Cortex », J Physiol, vol. 148, 1959, p. 574-591.

[5] BACHATENE, L., V. BHARMAURIA et S. MOLOTCHNIKOFF. « Adaptation-Induced Plasticity and Spike Waveforms in Cat Visual Cortex », Neuroreport, vol. 23, 2012, p. 88-92.

[7] BACHATENE, L., V. BHARMAURIA, S. CATTAN et S. MOLOTCHNIKOFF. « Fluoxetine and Serotonin Facilitate Attractive-Adaptation-Induced-Orientation-Plasticity in Adult Cat’s Visual Cortex », European Journal of Neuroscience, vol. 38, 2013, p. 2065-2077.

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