Le cerveau livre ses secrets

La dépression, l’autisme, l’alzheimer, le parkinson… Pour soigner les maladies du XXIe siècle, les chercheurs de la planète veulent comprendre l’organe humain le plus complexe : le cerveau . Un effort sans précédent qui commence à porter ses fruits…

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Photo : Alfred Pasieka/Science Photo Library

C’est arrivé brusquement, sans aucun signe annonciateur. Fin juin 2010, en revenant du chalet familial, Sophie Cliche a perdu connaissance. Après qu’elle eut passé trois jours aux urgences, le verdict est tombé pour cette Montréalaise de 45 ans, avocate de profession et mère de trois adolescentes : une tumeur au cerveau, qui grossit tout doucement, a provoqué une énorme crise d’épilepsie. Si le cancer s’étend, il risque d’entraîner des problèmes encore plus graves, jusqu’à la mort.

Mais les spécialistes qui l’examinent hésitent à l’opérer. En enlevant la tumeur, qui s’est développée en forme d’étoile infiltrée dans le lobe pariétal gauche, ils craignent de paralyser la moitié de son corps, en plus de toucher à des fonctions cognitives très précieuses, telles que la mémoire ou le langage. Les autres options, comme la radiothérapie, risquent aussi d’entraîner des séquelles. Que faire ?

Pour les médecins et chirurgiens, le cerveau est, de loin, la partie du corps la plus délicate à traiter. « On doit composer avec un immense degré d’ignorance de son fonctionnement, alors que c’est l’organe le plus vital de tous ceux dont la nature nous a dotés ! » s’exclame le Dr Guy Rouleau, généticien et directeur du Neuro, l’Institut et hôpital neurologiques de Montréal (Université McGill), un des fleurons de la recherche québécoise en neurosciences. Pourtant, un milliard de personnes dans le monde sont victimes de maladies du cerveau, mais surtout de problèmes psychiatriques et neurologiques qui peuvent gâcher des vies entières.

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« Ces maladies constituent le plus grand besoin médical non satisfait », estime le Dr Rouleau. Dans le siècle passé, on a fait des progrès considérables dans la compréhension des problèmes cardiaques puis du cancer, qui tuaient la plupart des gens avant qu’ils soient atteints d’affections neurodégénératives, comme l’alzheimer ou le parkinson. « Ça va être la grande préoccupation du XXIe siècle… et sans doute celle du XXIIe aussi ! » prédit Guy Rouleau.

Depuis 25 ans, il a publié plus de 500 articles scientifiques sur l’autisme, la sclérose latérale amyotrophique, l’épilepsie, la déficience intellectuelle, la maladie bipolaire ou les accidents vasculaires cérébraux, dont il cherche les causes et des pistes de traitement dans les gènes. « Il y a eu très peu de progrès dans les médicaments depuis 50 ans. Ceux qu’on utilise pour la schizophrénie, l’anxiété ou la dépression ont surtout été trouvés par hasard. Et on ne connaît ni cause ni remède à nombre de mala­dies neurologiques et psychiatriques ! » Séparé du reste du corps par un genre de filtre — la barrière hématoencéphalique, qui agit comme un véritable rempart contre les agressions —, le cerveau est aussi très difficile à traiter par chimiothérapie quand un cancer y prend naissance.

Mais un vent d’espoir souffle sur les labos, où l’on met au point une multitude de technologies qui permettront peut-être, enfin, de mieux comprendre comment fonctionne le cerveau humain — et comment on peut le soigner.

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Le Dr Guy Rouleau et la chercheuse Dominique Verlaan, de l’Université McGill. «Les maladies du cerveau constituent le plus grand besoin médical non satisfait», dit le généticien. – Photo : Ryan Remiorz/La Presse Canadienne

Ces dernières années, gouvernements, industriels et philanthropes se sont unis dans un effort planétaire sans précédent pour doper la recherche en neuro­sciences et mettre en commun les connaissances, en s’appuyant sur les progrès rapides dans le traitement informatique d’immenses quantités de données — les big data. En janvier 2013, la Communauté européenne a lancé un programme d’un milliard d’euros sur 10 ans, le Human Brain Project, auquel collaborent des chercheurs de 24 pays, dont le Canada. Objectif : établir un modèle informatique complet du cerveau de l’homme et de la souris, une sorte de schéma de principe qui aiderait à décoder ce qui se passe quand surviennent des anomalies.

Jadis surtout affaire de psychiatres, les neurosciences entrent ainsi dans l’ère de la big science, comme on dit en France, mobilisant autour d’un seul objectif non seulement des psychiatres, des généticiens ou des biologistes moléculaires, mais aussi des spécialistes en bio-informatique, analyse informatique et autres disciplines liées au traitement des données. À côté du cerveau, le boson de Higgs, c’était de la petite bière !

Au printemps 2013, le président Obama en personne a donné à son tour le signal de départ à sa BRAIN Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) : un milliard sur 10 ans sera consacré à la mise au point de technologies d’analyse cérébrale. « On réunit les sciences de la vie et la physique pour inventer des outils d’observation à toutes les échelles du cerveau, depuis les gènes qui s’expriment à l’intérieur des cellules jusqu’au câblage qui relie celles-ci pour traiter l’information », explique Yves De Koninck, professeur à l’Université Laval (Québec) et grand spécialiste en neurophotonique et optogénétique, deux disciplines en plein essor.

Le Canada n’est pas en reste : en 2012, la Fondation Neuro Canada et le gouvernement fédéral ont placé 100 millions de dollars chacun dans un partenariat public-privé pour la recher­che sur le cerveau, et des dizaines de labos d’ici collaborent aussi aux programmes internationaux.

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Des chercheurs allemands ont découpé un cerveau en lamelles, qu’ils ont photographiées et numérisées. À partir de ces images, le professeur Alan Evans et son équipe de McGill ont produit BigBrain, la photo la plus précise jamais réalisée d’un cerveau complet. – Photo : AP/Katrin Amunts, Karl Zilles, Alan C. Evans/La Presse Canadienne

Sophie Cliche a eu de la chance dans son malheur, puisqu’elle a déjà pu profiter de ce développement technologique sans précédent. C’est au Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke que la science du cerveau est venue à sa rescousse, en la personne du Dr David Fortin, le seul médecin au Canada qui soit à la fois neurochirurgien et neuro-oncologue. Sous le crâne rasé de ce charismatique quadragénaire, aux antipodes de l’image glaciale qu’on se fait parfois de ces spécialistes, une idée n’attend pas l’autre pour ce qui est de soulager les malades. Grâce à une technique révolutionnaire, David Fortin croit pouvoir enlever plus des trois quarts de la tumeur de Sophie sans qu’elle en conserve des séquelles. « Je me suis tout de suite sentie en confiance, même si je devais être une des premières au monde sur qui on testerait cette approche », me raconte cette brune aux cheveux courts, qui n’a que de bons mots pour toute l’équipe de l’hôpital.

La veille de l’opération, elle doit passer un examen d’imagerie par résonance magnétique (IRM) un peu particulier. D’habitude, l’IRM repère les zones où des neurones consomment de l’énergie sous forme de glucose, ce qui permet de voir lesquelles « s’allument » lorsque le cerveau est sollicité par une tâche simple, comme compter ou se souvenir de son repas de la veille. Mais pendant que Sophie est allongée, immobile, dans le cylindre de la machine, l’appareil enregistre plutôt l’activité des molécules d’eau présentes dans ses neurones, ce qui permettra de voir où ils sont connectés entre eux — et pas seulement où ils s’activent.

C’est au tour de Maxime Descoteaux d’entrer en scène pour un spectacle éblouissant : à partir de ces données, ce jeune prof du Département d’informatique de l’Université de Sherbrooke reconstruit une image 3D des innombrables faisceaux de connexions neuronales qui tra­versent le cerveau de Sophie. « C’est comme une carte Google qui montre où sont les routes principales que l’information emprunte pour maîtriser le mouvement, le langage ou la mémoire », raconte le mathématicien de 33 ans, qui a trouvé le moyen de produire ce genre de carte en quelques minutes seulement. L’image, parcourue de fils multicolores, évoque une photo prise de nuit montrant un réseau de files de voitures en déplacement… mais en beaucoup plus inextricable ! On ne peut que s’émerveiller de sa beauté — qui lui a d’ailleurs valu d’être publiée par le magazine américain National Geographic.

Cette carte des connexions neuronales est un outil très précieux pour un neurochirurgien comme David Fortin. En observant celle de Sophie Cliche, il a pu constater qu’aucune grande voie de communication ne traversait la tumeur, ce qui lui a donné la garantie qu’il parviendrait à opérer sa patiente sans toucher à des fonctions clés. « C’est d’autant plus utile que le cerveau est aussi propre à chaque individu qu’une empreinte digitale », explique le médecin, toujours fasciné par l’incroyable capacité de cet organe à se réorganiser, quitte à former des structures qui défient l’entendement.

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Maxime Descoteaux, de l’Université de Sherbrooke, a construit une carte des connexions neuronales. Cet outil est précieux pour les neurochirugiens lorsqu’ils doivent exciser une tumeur cérébrale. – Photo : Université de Sherbrooke/Martin Blache

Maxime Descoteaux participe en outre à un grand programme américain, le Human Connectome Project, qui vise à dresser la carte complète des connexions chez des personnes en bonne santé, afin d’en déduire ce qui semble normal dans les différences observées. Puis, en comparant ces cartes (ou connectomes) avec celles de malades souffrant d’alzheimer ou de parkinson, les chercheurs espèrent repérer des anomalies et peut-être aider l’industrie pharmaceutique à trouver des médicaments agissant exactement là où il le faut, comme on envoie des ambulances sur le lieu d’un accident de la route. « Le connectome pourrait aussi servir à suivre ce qui se produit après une commotion cérébrale, pour voir quand le cerveau est revenu à un état stable et n’est plus perturbé par le choc », s’emballe Maxime Descoteaux, qui compte s’attaquer bientôt à ce fléau.

L’opération de Sophie Cliche a duré près de sept heures. Pour maximiser les chances de réussite, David Fortin a également recouru à une autre technique fascinante, utilisée depuis une dizaine d’années : pendant l’inter­vention, il a réveillé sa patiente pour lui demander de répondre à des questions, histoire de vérifier en tout temps si son bistouri ne touchait aucune fonction cérébrale. Aussi bizarre que cela puisse paraître, le cerveau présente la particularité d’être insen­sible à la douleur, contrairement au cuir chevelu et au crâne. « Je m’en souviens vaguement, je me sentais bizarre, mais pas vraiment incommodée », raconte Sophie Cliche, qui a gardé très peu de séquelles de l’opération. Toutefois, malgré le travail ultra-précis du Dr Fortin, les quelques cellules qu’il n’a pas pu enlever ont recommencé à proliférer, et l’avocate devra être réopérée. « Cette fois, l’intervention chirurgicale ne durera pas aussi longtemps. Et les techniques progressent tellement vite que ça donne de l’espoir », explique-t-elle, ayant confiance de repren­dre le travail d’ici quelques mois et de profiter de la vie pendant de nombreuses années.

Les cartes de connexions que Maxime Descoteaux peaufine sont de plus en plus utilisées en neurochirurgie, et la technique continue de progresser. Pendant ce temps, d’autres chercheurs tentent de « zoomer » pour aller à un niveau encore beaucoup plus précis de l’organisation cérébrale. Dans les sous-sols du Neuro, au centre-ville de Mont­réal, l’équipe du professeur Alan Evans a produit une image tout aussi révolutionnaire que celle du Sherbrookois : BigBrain, dont la description a été publiée à l’été 2013 dans le magazine Science après sept ans de recherche, est la photo la plus précise jamais réalisée d’un cerveau complet. Sa résolution est 125 000 fois supérieure à celle d’une image obtenue par résonance magnétique ! On n’y voit pas encore chaque neurone, mais presque…

Pour y parvenir, une équipe de chercheurs allemands a d’abord découpé en 7 400 lamelles le cerveau d’une femme décédée à 65 ans. Puis, ils les ont photographiées et numérisées grâce au plus puissant superordinateur européen. L’équipe montréalaise a ensuite reconstitué l’image complète, en 3D, au moyen d’algo­rithmes de calcul. Un travail de moine !cerveau_3L’atlas BigBrain, publié sur Internet, est accessible à tous, gratuitement. Comme la fonction Street View, de Google, il donne aux chercheurs une information statique mais très précieuse pour les aider à se repérer dans le cerveau, tenter de localiser des neurones défectueux, observer où se produisent des changements dans les gènes ou cibler les zones où devraient agir des médicaments. « C’est une version 3D et ultra-précise de la carte des aires de Brodmann, réalisée en 1909, dont les neurochirurgiens se ser­vent encore pour distinguer les zones du cerveau », dit Alan Evans.

À 62 ans, ce Gallois d’origine, au regard pétillant sous ses sourcils broussailleux, est entré cette année dans le club très sélect du 1 % des chercheurs les plus cités en neurosciences dans le monde. Depuis une trentaine d’années, il participe à presque tous les grands programmes internationaux d’imagerie cérébrale. « On peut maintenant combiner les résultats de plusieurs techniques d’imagerie — comme la résonance magnétique, la magnéto­encéphalographie ou la tomographie par émissions de positrons —, qui donnent chacune accès à des résolutions spatiales et à des échelles de temps différentes pour observer les phénomènes cérébraux », explique-t-il, enthousiaste.

À l’Institut universitaire en santé mentale de Québec, le professeur Yves De Koninck veut aller encore plus loin. Ses cibles préférées : des drosophiles et de petits poissons modifiés génétiquement pour qu’une protéine fluorescente illumine des con­nexions dans leur cerveau, qu’il éclaire avec un rayon laser. En utilisant de nouvelles techniques de microscopie à superrésolution optique, dont la découverte a valu le prix Nobel de chimie 2014 à des chercheurs allemands et américains, Yves De Koninck peut observer la danse des molécules jusqu’au cœur d’une synapse. « Le défi, maintenant, c’est de pouvoir récolter l’information en parallèle sur de multiples neurones pour lui donner du sens », explique ce touche-à-tout, également reconnu pour ses recherches sur la douleur.

La publication des données expérimentales dans de grandes banques publiques et leur traitement par de nouveaux algorithmes capables de digérer ces quantités invraisemblables d’information sont en train de bouleverser la recherche en neurosciences, tout comme Wikipédia a révolutionné les recherches documentaires des étudiants. En 2003, le milliardaire américain Paul Allen, cofondateur de Micro­soft avec Bill Gates, a ouvert le bal en donnant 100 millions de dollars pour la création de l’Allen Institute for Brain Science, destiné à la publication en ligne de banques de données génétiques gratuites sur le cerveau. Y contribuer est considéré comme essentiel par les chercheurs, dont les données serviront aussi au grand programme de modélisation européen.cerveau_4Grâce, notamment, à l’Institut Allen, les généticiens comme Guy Rouleau, du Neuro, comprennent de mieux en mieux le rôle de l’hérédité dans les maladies du système nerveux central. Depuis 10 ans, ils ont repéré des centaines de gènes de susceptibilité à toutes sortes de maladies, telles que la schizophrénie, la dépression, le déficit d’attention ou l’autisme. Ces découvertes représentent autant d’espoirs d’un meil­leur diagnostic, basé sur des tests génétiques plutôt que sur une longue investigation à l’aveugle.

L’enjeu est particulièrement crucial pour les problèmes neurodéveloppementaux comme la déficience intellectuelle, dont on peut amoindrir les effets si on agit très vite. « Depuis peu, il y a des tests pour certaines maladies, telles que le syndrome de l’X fragile ou le syndrome de Rett, et j’ai bon espoir que d’autres suivront bientôt pour l’autisme », dit Guy Rouleau. L’épigénétique, nouvelle science qui étudie comment l’environnement influence l’expression des gènes, pourrait aussi aider à mieux prendre soin des enfants atteints de maladies neurodéveloppementales et à amoindrir leurs symptômes.

Dans ses recherches en optogénétique, Yves De Koninck fait le pont entre la génétique et l’imagerie du cerveau. « Depuis peu, explique-t-il, on réussit chez de petits animaux à diriger l’expression de gènes au niveau des synapses, en les éclairant avec une fibre optique. » En jouant sur la source de lumière, le chercheur peut ainsi ouvrir ou fermer des canaux de communication entre neurones, comme s’il commandait des feux de circulation sur un réseau routier. Pour l’instant, ces recherches visent surtout à mieux comprendre comment les gènes agissent sur les connexions cérébrales. Mais dans l’avenir, on pourra peut-être cibler des neurones défectueux, repérés grâce à des marqueurs génétiques, et les faire se reconnecter en les éclairant avec une fibre optique implantée dans le cerveau des malades, avance Yves De Koninck.

À l’endroit même où le chercheur explore ces idées futuristes, le Québec bâtissait en 1845 son premier asile psychiatrique, l’Asile provisoire de Beauport, pour y enfermer ses fous. Encore aujourd’hui, les victimes de maladies mentales ou neurologiques sont souvent stigmatisées et bien mal soignées. Mais que de changements dans les efforts mis à comprendre ce qui cloche ! Désormais, l’espoir est là…

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1 commentaire
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Article très intéressant. Je suis infirmière et j’ai trouvé l’article facile à lire et comprendre. J’ai inscrit cet article dans ma formation continue pour l’OIIQ. Merci