Le système nerveux périphérique et la mémoire

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Il y a maintenant près de 40 ans que j’avais pour habitude de déjeuner d’un sandwich au bout de la terrasse du Salk Institute avec Francis Crick et nous devisions naturellement de science mais aussi de bien d’autres sujets. Francis était en quelque sorte un électron libre puisqu’il se contentait de penser. Sa préoccupation était le mécanisme de la mémoire, un vaste sujet inexploré à l’époque puisqu’il n’existait pas encore le puissant outil d’investigation de l’activité cérébrale qu’est devenue l’imagerie par résonance magnétique nucléaire fonctionnelle. Francis avait épousé Odile, à moitié française et à moitié britannique, il y avait bien longtemps. Odile était une artiste tout comme Françoise Gilot, l’épouse de Jonas Salk, qu’elle comptait parmi ses amis. Dans ce petit monde de scientifiques mêlant l’art et la science, somme toute deux disciplines qui parfois se rejoignent puisqu’il qu’Odile Crick créa, on dirait maintenant une vision d’artiste, l’image de la molécule d’ADN sur une feuille de papier, la science était elle-même considérée comme un art. Cette image de l’ADN fit la Une du journal Nature en 1953. Chez Jonas, parmi un certain nombre d’oeuvres de Picasso, se trouvaient aussi les oeuvres artistiques de Françoise Gilot et chez Francis il existait un harmonieux mélange de tableaux d’art moderne.

Exécuter une oeuvre d’art fait le plus souvent appel à la mémoire à moins de se limiter à un modèle ou à un bouquet de fleurs. Notre cerveau a en effet emmagasiné des milliers de milliers de clichés qu’une collection de disques durs de 2 téraoctets, ceux que j’utilise pour sauvegarder mes fichiers et dossiers, ne suffirait pas pour tous les mémoriser, car non seulement nous stockons des images mais également des sons, des odeurs comme le parfum d’une rose, et également l’ambiance de ces flashs de mémoire si on peut formuler les choses ainsi.

Francis avouait que la mémoire était un problème qui le surpassait et il se perdait en conjectures que les outils de la science de l’époque étaient incapables d’explorer. Depuis ces années les puissants moyens d’investigation à la disposition des neurobiologistes ont montré que le cerveau était un ensemble complexe d’aires individualisées qui sont toutes interconnectées. On pourrait dire que chaque cerveau humain est une sorte de réseau internet avec ses serveurs, ses zones de stockage qu’on appelle aujourd’hui le « cloud » et ses fibres, optiques pour l’internet, constituées de paquets de neurones spécialisés pour transmettre des informations d’une aire cérébrale à l’autre.

La mémoire se construit grâce à un agencement spatial d’interconnexions de neurones mais ce mécanisme de construction est encore largement inconnu. Ce que l’on connait schématiquement est le siège de la mémoire qui se situe dans le cortex préfrontal. Ce qui est également admis est que le sommeil favorise la consolidation de la mémoire récente. Encore faut-il que ce sommeil réponde à des critères bien précis pour que la mémoire puisse être consolidée. La mémoire explicite (aussi appelée associative) est consolidée par les phases de sommeil au cours desquelles le mouvement des yeux est lent tandis que la mémoire implicite (dite aussi inconsciente) est elle-même consolidée lors des phases de sommeil avec des mouvement oculaires rapides. Il est également reconnu que durant la phase de sommeil dite profonde au cours de laquelle la mémoire explicite est consolidée le rythme des battements cardiaques ralentit et la température du corps diminue. Mais ces modifications physiologiques sont commandées par le système nerveux autonome. Or ce système dit vagal projète des terminaisons jusqu’au cortex préfrontal. La situation étant par elle-même très complexe il s’est agi de tenter de trouver un effet du système vagal (nerfs parasympathiques) qui commande largement le sommeil et ses différentes phases sur le mécanisme de consolidation de la mémoire.

C’est ce qui a été montré par une équipe de neurophysiologies de l’Université de Californie à Riverside dirigée par le Docteur Sara Mednick et c’est un scoop car on ignorait jusqu’à ces travaux que le système nerveux autonome puisse avoir un tel effet sur la consolidation de la mémoire associative. Le système parasympathique commandant entre autres effets les battements du coeur, en suivant ces derniers et en effectuant des tests de mémorisation, l’équipe de Sara Mednick a pu montré que contrairement à ce qu’il était généralement admis le système nerveux autonome jouait un rôle essentiel dans le mécanisme de consolidation de la mémoire explicite. Il s’agit d’une observation mais le mécanisme intime de cette consolidation doit encore être exploré car on ne dispose que de peu d’éléments d’information sur les modifications biochimiques au niveau du cortex en dehors d’une augmentation remarquable de l’acétyle-choline au cours de la phase de sommeil paradoxal, un neuromédiateur considéré comme impliqué dans la plasticité neuronale. Le cerveau livre petit à petit ses secrets et les biologistes ont encore de longues années de travail devant eux. Si Francis Crick était encore de ce monde – il avait plus de soixante ans quand je partageais avec lui ces conversations mémorables et aurait eu 100 ans le 8 juin dernier – il serait tout simplement émerveillé …

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Source : PNAS doi : 10.1073/pnas.1518202113 aimablement communiqué par le Docteur Mednick qui est ici chaleureusement remerciée. Illustrations Wikipedia et Françoise Gilot « Le coup de téléphone » (1952).

Note : Françoise Gilot fut la muse et l’amante de Pablo Picasso et la mère de ses enfants Claude et Paloma. Elle épousa Jonas Salk en 1970. Elle a aujourd’hui 95 ans et vit retirée à New-York.

Sommes-nous tous des extraterrestres ? Peut-être …

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Il s’agit d’une réflexion vers laquelle je suis souvent revenu personnellement depuis ces longues conversation inoubliables avec Francis Crick (Prix Nobel de Médecine 1962) qui pensait que la panspermie (voir note en fin de billet) devait être une hypothèse à ne pas écarter dans le cadre d’une approche globale de la biologie avec pour principale préoccupation l’explication de l’apparition de la vie. En effet, si on observe non pas l’Univers mais simplement notre petite planète bleue, la seule explication plausible à la présence d’éléments chimiques « lourds » comme le silicium ou encore le fer et jusqu’à l’uranium sur la Terre est que le système solaire est le résultat de l’explosion d’une super-nova c’est-à-dire une étoile qui existait avant le Soleil et dont ce dernier n’est qu’un vestige entouré de matière disparate constituée de quelques concrétions significatives comme les planètes et d’une nuée de « poussières » constituant la ceinture de Kuiper et le nuage de Oort qui s’étend jusqu’à presque la moitié de la distance séparant le Soleil de son plus proche voisin, Alpha du Centaure.

Puisque l’Univers date de 13 milliards d’années selon la théorie du Big-Bang et que le système solaire ne date « que » de 5 milliards d’années environ, en 8 milliards d’années il a pu se passer bien des choses autour de l’étoile qui finit par exploser en emportant tout sur le passage de l’onde de choc provoquée par cette explosion et en donnant naissance au système solaire. En écrivant ce texte, je suis assis sur un balcon orienté plein sud et je vois Sirius, la deuxième étoile la plus proche du Soleil après Alpha du Centaure, s’élever lentement à l’est. Entre ces trois étoiles, le vide, rien que le vide et un intense trafic de particules venues de nulle part et allant également nulle part.

Rien ne permet d’exclure que l’étoile qui donna naissance au système solaire en explosant n’ait pas aussi été entourée d’une ou plusieurs planètes favorables à l’apparition de la vie, en 8 milliards d’années il s’est en effet passé beaucoup de choses, je le répète, et comme la vie telle que nous la connaissons sur notre planète Terre repose sur un pilier incontournable, à notre échelle et selon nos observations, la présence d’acides nucléique, ADN ou ARN, le support génétique de la vie, comment ne pas exclure sinon prouver que l’ADN de formes de vie précédant la vie sur la Terre depuis plusieurs milliards d’années ait pu être capable d’ensemencer notre planète pour qu’une nouvelle vie y apparaisse ? Parce qu’après tout quand cette étoile explosa et volatilisa ses planètes éventuellement porteuses de vie, rien ne prouve que des fragments de ces dernières n’aient pas été soufflés par l’explosion en emportant avec eux des traces de vie.

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Cette hypothèse de la panspermie n’est pas du tout invraisemblable. Cependant l’ADN n’est pas une molécule très résistante aux conditions extrêmes de températures et de radiations mais on peut imaginer que la vie sur Terre ait « réapparu » en un peu plus d’un milliard d’années à partir de fragments d’ADN ayant échappé à l’anéantissement et se retrouvant sur la Terre dans la « bouillie primordiale » (expérience de Miller-Urey, 1952) pour catalyser une nouvelle apparition de la vie. L’une des missions de la sonde Rosetta n’est-elle pas de tenter de retrouver des molécules chimiques complexes dont la structure ne peut pas être expliquée autrement que comme les restes de formes de vie. Par exemple on trouve dans le pétrole des hydrocarbures cycliques complexes qui proviennent des pigments impliqués dans la photosynthèse. L’ensemencement de la Terre par de l’ADN aurait donc pu subvenir par les retombées de fragments solides après que notre planète se fut suffisamment refroidie pour devenir compatible avec la vie, soit un bon milliard d’années après la constitution du système solaire sur les restes de l’explosion de la supernova ancestrale. Encore fallait-il que cet ADN ait résisté à ces évènements extrêmes …

C’est de manière tout à fait inattendue qu’une équipe de chercheurs de l’Université de Zürich, en collaboration avec diverses équipes universitaires allemandes a apporté une petite vraisemblance à la panspermie dont était adepte Francis Crick et dont je viens de décrire le processus qui est d’ailleurs valable aussi pour la planète Mars. Il s’est agi de profiter de fusées-sondes encore utilisées pour de nombreuses études de la haute atmosphère jusqu’à des altitudes de 250 kilomètres. Lors de l’ascension et de la retombée vers le sol, le bouclier protégeant les instruments de mesure embarqués s’échauffe par friction avec les gaz constituant l’atmosphère, un genre de simulation de l’entrée dans les hautes couches de l’atmosphère des météorites, à la seule différence près que la vitesse d’entrée des météorites est de l’ordre de 20 km par seconde alors qu’une fusée sonde atteint au mieux une vitesse de l’ordre de 1 km par seconde mais l’expérience de résistance de l’ADN dans ces conditions valait tout de même le coup d’être tentée. À divers endroits de l’ogive de protection de la fusée de l’ADN a été badigeonné et après récupération de la fusée, cet ADN a été soigneusement prélevé et analysé. Il s’agissait d’un petit morceau d’ADN circulaire appelé dans le jargon scientifique un plasmide codant pour deux informations facilement détectables expérimentalement, une résistance à la kanamycine, un antibiotique communément trouvé dans le sol, donc en fait le gène de l’enzyme capable de détruire la kanamycine, et le gène d’une protéine fluorescente. Le plasmide présentant la propriété de pouvoir pénétrer à l’intérieur d’une cellule vivante, le test d’intégrité de l’ADN après sa promenade dans les hautes couches de l’atmosphère et son retour vers le sol fut donc facilement obtenu.

Cette expérience assez simple décrite dans PlosOne en libre accès ( DOI: 10.1371/journal.pone.0112979 ) a montré que l’ADN était remarquablement résistant alors que, dans des conditions similaires, des bactéries sous forme de spores ne résistaient pas à un tel traitement. L’endroit le plus propice pour retrouver jusqu’à 60 % d’ADN fonctionnel était l’anfractuosité des boulons reliant l’ogive de protection au corps de la fusée. Quand on a vu l’aspect de la comète Churyumov-Gerasimenko révélée par la sonde Rosetta, on peut sans hésitation imaginer que de l’ADN provenant de formes vivantes (hypothétiques) ayant existé avant l’explosion de la supernova qui donna naissance au Soleil ait pu subsister dans un recoin de cette comète depuis plus de 5 milliards d’années …

Finalement nous sommes peut-être tous des descendants d’ extraterrestres n’en déplaise aux créationistes.

Note : La panspermie est une hypothèse proposant que des formes de vie microscopiques peuvent survivre à l’intérieur de débris éjectés dans l’espace après un événement cataclysmique. Lorsque ces débris retombent sur une planète hospitalière alors la vie réapparaît avec le processus d’évolution qui lui est associé (Wikipedia).

Il y a 60 ans, la double hélice d’ADN

Il y a un peu plus de 30 ans, j’allais souvent déjeuner d’un sandwich au bout de l’esplanade centrale du Salk Institute où je rejoignais Francis Crick pour bavarder à bâtons rompus de toutes sortes de sujets en regardant les parapentistes faire des figures osées au dessus de la falaise de Black Beach avec l’immensité bleue intense de l’Océan Pacifique comme toile de fond ajoutant au contraste de la pierraille dénudée qui séparait l’Institut du bord de la falaise. C’était au dessus de La Jolla, à Torrey Pines Road, dans le temple de la biologie. Je n’éprouvais aucun effort pour suivre les propos de Francis puisqu’il s’exprimait dans un français d’une qualité que beaucoup d’entre nous ne maîtrisent pas. Son épouse Odile, née de mère française et de père anglais, lui avait transmis le goût de la langue de Montesquieu et de Proust et c’est dans cette langue qu’il semblait préférer à l’anglais qu’il me racontait quel était le but réel de son travail au Salk Institute. Francis s’était reconverti tardivement vers les neurosciences mais pas avec une approche chimique ou biochimique comme celle développée dans le laboratoire où je travaillais, dans une toute autre appréhension des mécanismes intimes de l’activité cérébrale. L’Institut était l’un des tous premiers sites privés à s’être équipé d’un réseau intranet, en d’autres termes un internet à l’usage de l’ensemble des laboratoires avec des ordinateurs qui pourraient se trouver dans des musées aujourd’hui mais qui rendaient déjà de nombreux services en particulier la transmission d’informations quotidiennes entre chacune des équipes travaillant par exemple sur des sujets apparentés. Et c’est avec cet exemple que Francis Crick réfléchissait au fonctionnement du cerveau en le considérant comme un ensemble de terminaux ou de régions reliés les uns aux autres par des neurones spécialisés avec une circulation incessante des informations. Les idées de Francis Crick étaient d’avant-garde car le concept qu’il m’exposait alors que nous terminions notre sandwich n’en était qu’à l’état d’hypothèse encore invérifiable et elles furent largement démontrées quelques années plus tard avec l’avènement de l’imagerie fonctionnelle par résonance magnétique nucléaire qui a permis de progresser de manière tout aussi fulgurante dans la connaissance du fonctionnement du cerveau, la dernière frontière de la biologie, comme la biologie moderne est entièrement issue des travaux de Francis Crick et James Watson sur la structure en double hélice de l’ADN qui furent publiés il y a exactement soixante ans.

Jamais qui que ce fut, y compris Crick et Watson en 1953, auraient pu prédire les usages et les applications de leur découverte que l’épouse de Francis illustra dans l’article fondateur de la biologie moderne paru dans le journal Nature : http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf .

Francis Crick aurait pu recevoir aussi le prix Nobel pour l’impulsion nouvelle qu’il donna aux neurosciences en tentant d’expliquer les mécanismes de la conscience. Ses réflexions – Francis Crick travaillait 20 heures par jour, ponctuant ses longues heures de travail par quatre siestes d’une heure – le conduisirent tout naturellement, et nous en parlions souvent ensemble, à remettre en question l’existence de l’âme supposée siéger dans le cerveau et par conséquent l’existence d’un quelconque dieu. Pour lui, le vivant était une résultante de mécanismes complexes strictement chimiques et le cerveau un super ordinateur et uniquement cela. C’est peut-être à cette époque et au cours de nos conversations presque quotidiennes que je devins tout aussi agnostique que Francis Crick.

« Les biologistes doivent toujours avoir en tête que ce qu’ils observent n’a pas été créé, mais a évolué » ou encore : « Si on veut comprendre une fonction (biologique) il faut étudier la structure » .(citations de Francis Crick).