Plasticité, mémoire et pathologies : raisonner sur des expériences et des cas cliniques

Des expériences sur les synapses, des patients célèbres et des images du cerveau permettent de démontrer que la mémoire repose sur des synapses qui se renforcent, que le cerveau peut se réorganiser après une lésion, et que l'imagerie localise les fonctions et les atteintes.

Objectifs

Exploiter une expérience de potentialisation à long terme (PLT) pour expliquer la plasticité synaptique.
Relier le cas du patient H.M. au rôle de l'hippocampe dans la consolidation des souvenirs.
Expliquer les troubles causés par un AVC, un traumatisme crânien ou une tumeur selon la zone touchée.
Choisir la technique d'imagerie adaptée à une question (structure ou activité).
Rédiger une démarche « je vois, je sais, je conclus » sur un document.

Notions clés

1. La potentialisation à long terme : une synapse qui apprend

En 1973, Bliss et Lømo stimulent chez le lapin des fibres nerveuses qui aboutissent dans l'hippocampe et enregistrent la réponse des neurones postsynaptiques. Après une brève série de stimulations à haute fréquence, une même stimulation test produit une réponse postsynaptique nettement plus grande, et cet effet dure des heures, voire davantage. C'est la potentialisation à long terme (PLT).

Mécanisme simplifié au niveau d'une synapse à glutamate :

Stimulation intense : le neurone présynaptique libère beaucoup de glutamate dans la fente synaptique ; il se fixe sur les récepteurs AMPA, qui laissent entrer des ions \(\ce{Na+}\) et dépolarisent fortement la membrane postsynaptique.

Cette forte dépolarisation chasse l'ion \(\ce{Mg^2+}\) qui bouchait le récepteur NMDA : des ions \(\ce{Ca^2+}\) entrent dans le neurone postsynaptique et activent des enzymes (kinases).

Les kinases font ajouter de nouveaux récepteurs AMPA dans la membrane : la même quantité de glutamate produira ensuite une réponse plus forte. Si la stimulation se répète, des gènes s'expriment, des protéines sont fabriquées et de nouvelles synapses se forment : le changement devient durable.

La plasticité s'observe aussi à grande échelle : chez des musiciens qui jouent d'un instrument à cordes depuis l'enfance, la zone du cortex qui commande les doigts de la main gauche est plus étendue que chez les non-musiciens. Les cartes corticales dépendent donc de l'usage.

Repère les parties de la synapse sur ce schéma :

Dans la PLT, quel événement déclenche les modifications durables du neurone postsynaptique ?

La sortie d'ions \(\ce{Ca^2+}\) hors du neurone postsynaptique.
L'entrée d'ions \(\ce{Ca^2+}\) par les récepteurs NMDA libérés de leur ion \(\ce{Mg^2+}\).
La destruction des récepteurs AMPA.

C'est l'entrée de calcium par les récepteurs NMDA, possible seulement après une forte dépolarisation, qui active les kinases et l'ajout de récepteurs AMPA.

2. La consolidation des souvenirs : le cas H.M.

Henry Molaison, connu sous les initiales H.M., a été opéré en 1953 pour une épilepsie grave : on lui a retiré une partie des deux lobes temporaux internes, dont la plus grande part des deux hippocampes. Après l'opération :

il se souvient de nombreux événements anciens, antérieurs à l'opération ;
il garde une information quelques instants s'il la répète, mais l'oublie dès qu'il est distrait ;
il est incapable de former de nouveaux souvenirs durables de faits ou d'événements : c'est une amnésie antérograde ;
pourtant, il progresse jour après jour dans une tâche motrice (dessiner en regardant dans un miroir) sans se souvenir de l'avoir déjà faite.

flowchart LR
A[Information percue] --> B[Memoire a court terme]
B --> C[Hippocampe consolide]
C --> D[Memoire a long terme dans le cortex]
D --> E[Rappel du souvenir]

Conclusions : l'hippocampe est indispensable pour consolider les nouveaux souvenirs déclaratifs (faits, événements), mais les souvenirs anciens sont stockés ailleurs, dans le cortex. La mémoire procédurale (savoir-faire) dépend d'autres structures et reste intacte.

Pourquoi H.M. progresse-t-il au dessin en miroir sans s'en souvenir ?

Parce que son hippocampe a repoussé.
Parce que la mémoire à court terme suffit.
Parce que la mémoire procédurale ne dépend pas de l'hippocampe, contrairement à la mémoire des faits et des événements.

Les savoir-faire sont mémorisés par d'autres structures cérébrales : ils s'améliorent même sans souvenir conscient des séances.

3. Lésions de l'encéphale : relier zone touchée et trouble

AVC ischémique : une artère cérébrale est bouchée par un caillot ; les neurones de la zone ne reçoivent plus d'oxygène ni de glucose et meurent s'ils ne sont pas irrigués rapidement.
AVC hémorragique : une artère se rompt ; le sang se répand et comprime les tissus.
Traumatisme crânien : choc (accident de moto, chute) qui lèse des neurones et leurs fibres ; il peut provoquer une perte de connaissance et une amnésie des événements qui précèdent le choc (amnésie rétrograde) ou qui le suivent.
Tumeur : masse de cellules qui se multiplient et compriment progressivement le tissu voisin ; les troubles apparaissent lentement et dépendent de la zone comprimée.

Deux règles permettent d'interpréter les symptômes :

la commande motrice est croisée : une lésion de l'hémisphère gauche paralyse le côté droit du corps (hémiplégie droite) ;
chez la plupart des personnes, les aires du langage sont dans l'hémisphère gauche : une lésion de l'aire de Broca (lobe frontal) gêne la production de la parole, une lésion de l'aire de Wernicke (lobe temporal) gêne sa compréhension.

Après la lésion, la rééducation (kinésithérapie, orthophonie) exploite la plasticité : des neurones voisins de la zone détruite ou d'autres régions prennent peu à peu le relais, de nouvelles connexions se forment. La récupération est souvent partielle et plus rapide dans les premiers mois.

Une personne a la jambe et le bras gauches paralysés après un AVC. Quel hémisphère est touché ?

L'hémisphère droit.
L'hémisphère gauche.
On ne peut pas savoir.

La commande motrice est croisée : une paralysie du côté gauche du corps indique une lésion de l'hémisphère droit.

4. L'imagerie cérébrale : quelle technique pour quelle question ?

Technique	Ce qu'elle montre	Usage typique
Scanner (tomodensitométrie, rayons X)	Structure ; le sang frais apparaît nettement	En urgence, distinguer un AVC hémorragique d'un AVC ischémique
IRM anatomique	Structure fine des tissus	Repérer une tumeur, une zone lésée, mesurer l'hippocampe
IRM fonctionnelle (IRMf)	Zones où l'afflux de sang oxygéné augmente, donc les zones actives	Localiser les aires du langage ou de la mémoire pendant une tâche
TEP (tomographie par émission de positons)	Consommation d'un traceur radioactif, souvent un glucose marqué	Montrer les régions très actives ou au contraire peu actives

Avant de donner un médicament qui dissout les caillots, le médecin doit s'assurer que l'AVC n'est pas hémorragique. Quel examen fait-il en urgence ?

Une IRM fonctionnelle pendant une tâche de lecture.
Un scanner cérébral (ou une IRM) pour voir s'il y a du sang hors des vaisseaux.
Une TEP au glucose marqué.

Un médicament anti-caillot aggraverait un saignement : il faut d'abord une image de la structure, qui montre une éventuelle hémorragie.

Exemples résolus

Exemple 1 : une expérience de PLT avec un bloqueur

Je vois : avec les récepteurs NMDA fonctionnels, la stimulation provoque une augmentation durable de la réponse ; quand ils sont bloqués, il n'y a aucune augmentation.

Je sais : les récepteurs NMDA laissent entrer le calcium après une forte dépolarisation, et ce calcium déclenche l'ajout de récepteurs AMPA.

Je conclus : les récepteurs NMDA sont nécessaires à la mise en place de la PLT. Le lot B sert de témoin qui ne diffère du lot A que par ce facteur.

Exemple 2 : un cas clinique avec imagerie

Cherche d'abord, puis compare avec la solution.

Voir la solution

Je vois : trouble de la production de la parole avec compréhension conservée ; faiblesse du bras droit ; lésion frontale inférieure gauche.
Je sais : l'aire de Broca, située dans cette région, intervient dans la production du langage ; la commande motrice est croisée ; le cortex moteur est proche, dans le lobe frontal.
Je conclus : la lésion touche l'aire de Broca, d'où une aphasie de production, et s'étend vers la zone motrice du bras, d'où la faiblesse du bras droit. Grâce à la plasticité, l'orthophonie et la kinésithérapie peuvent aider d'autres réseaux de neurones à prendre en partie le relais.

Erreurs fréquentes

Confondre IRM anatomique (structure) et IRMf (activité).
Dire qu'un neurone détruit est réparé : la récupération vient surtout de la réorganisation des réseaux restants.
Décrire un document sans conclure, ou conclure sans s'appuyer sur ce que l'on voit.

Récapitulatif

La PLT : une stimulation intense renforce durablement une synapse (NMDA, calcium, nouveaux récepteurs AMPA, nouvelles synapses).
L'hippocampe consolide les souvenirs déclaratifs ; la mémoire procédurale dépend d'autres structures.
AVC, traumatisme et tumeur provoquent des troubles qui dépendent de la zone touchée ; la commande motrice est croisée.
La rééducation s'appuie sur la plasticité cérébrale.
Scanner et IRM montrent la structure ; IRMf et TEP montrent l'activité.

Potentialisation à long terme

Renforcement durable d'une synapse après une stimulation intense.

Rôle du récepteur NMDA

Laisse entrer le calcium après forte dépolarisation, déclenchant la PLT.

Hippocampe

Consolide les nouveaux souvenirs de faits et d'événements.

Amnésie antérograde

Incapacité à former de nouveaux souvenirs après la lésion.

IRMf

Montre les zones actives grâce à l'afflux de sang oxygéné.

Commande croisée

Un hémisphère commande le côté opposé du corps.