La neuroplasticité et la recherche d'une meilleure vision

Sans doute l'organe le plus important du corps humain, le cerveau est aussi le plus grand gardien des secrets de la science médicale. Cependant, une équipe de l'ENS-PSL dirigée par Claudia Lunghi va bientôt lancer un projet visant à découvrir certains de ces secrets, en explorant la capacité du cerveau à s'adapter à la perte sensorielle, et à la vue en particulier. Une bourse de démarrage ERC de cinq ans a été accordée pour faire progresser nos connaissances dans ce domaine, ce qui pourrait conduire à de nouveaux traitements et à une meilleure qualité de vie pour les personnes souffrant de déficiences sensorielles.

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La complexité de la vue

Née à Aoste, dans la partie italienne du Mont-Blanc, Claudia dit avoir "grandi dans une petite ville des Alpes, comme Heidi". En revanche, sa formation universitaire s'est déroulée à Milan, à la Vita-Salute San Raffaele, et son intérêt pour les neurosciences a été éveillé au cours d'une licence de philosophie. Cela a rapidement débouché sur un master en neurosciences cognitives dans la même université, sous la direction du professeur Maria Concetta Morrone, qui l'a initiée à l'étude de la perception visuelle. "Nous nous réveillons le matin et voyons le monde, et nous considérons cela comme acquis", explique Claudia. "Mais j'ai trouvé fascinant d'apprendre à quel point les niveaux de calcul, les circuits et la physiologie de la perception visuelle sont compliqués et incroyablement étonnants."

Son intérêt scientifique s'est porté sur la neuroplasticité, une propriété fondamentale du cerveau. "La neuroplasticité est la capacité du cerveau à modifier sa fonction ou sa structure en réponse à tout type de pression environnementale", explique Claudia. "Elle est à la base de l'apprentissage, de la mémoire, de la cognition et, au début de la vie, du réglage fin de nos systèmes sensoriels. J'étudie en particulier la vision, où la vision classique veut que la plasticité atteigne un pic dans une fenêtre temporelle appelée "période critique", pendant l'enfance, et ne soit pas conservée à l'âge adulte."

La sagesse conventionnelle pourrait être erronée

Les implications ici sont doubles - que même de brèves interruptions du développement sensoriel pendant l'enfance auront un impact à vie, et que les effets des blessures ou des maladies sur nos sens ne peuvent être inversés à l'âge adulte, même partiellement. Il est clair que certaines parties du système nerveux - notamment les "cortex supérieurs" qui gèrent l'apprentissage, la cognition et la mémoire - conservent une certaine plasticité à un âge moyen et avancé. Nous pouvons encore développer de nouvelles compétences, utiliser de nouveaux logiciels et apprendre une nouvelle langue, par exemple. Cependant, la réduction spectaculaire de la plasticité dans les "cortex inférieurs" du cerveau, qui gèrent le traitement initial des entrées sensorielles telles que la vision, a longtemps été une croyance largement répandue parmi les neuroscientifiques. Mais ce n'est plus le cas.

Aujourd'hui, les scientifiques sont de plus en plus sceptiques quant à cette vision classique, et les travaux de Claudia, chercheuse CNRS à l'ENS, pourraient contribuer à renverser les idées reçues. "Il existe de plus en plus de preuves que le cortex visuel pourrait conserver un certain degré de plasticité, même à l'âge adulte, et que ce niveau de plasticité pourrait être exploité et même stimulé pour favoriser la récupération de la fonction visuelle, par exemple, après certaines maladies de la vision ou une perte sensorielle due à une blessure", révèle-t-elle. Sa propre contribution a été d'ouvrir une nouvelle voie de recherche après ce qu'elle décrit comme "une expérience qui semblait être une idée folle, et des résultats qui semblaient contre-intuitifs."

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Une expérience qui change la donne

L'étalon-or pour évaluer la plasticité visuelle chez les animaux est la privation monoculaire, une technique mise au point par David Hubel et Torsten Wiesel, et pour laquelle ils ont obtenu un prix Nobel. Ce qui est mesuré, c'est le "déplacement de la dominance oculaire" qui se produit après qu'un œil a été privé d'informations visuelles, et qui conduit tous les neurones du cortex visuel primaire à être réorganisés, de sorte qu'ils répondent à l'œil ouvert. Au cours de son doctorat, Claudia a eu l'idée folle d'utiliser une technique psychophysique connue sous le nom de "rivalité binoculaire" pour tester l'impact de la privation monoculaire à court terme sur la dominance oculaire chez l'homme, même si l'écrasante majorité de la pensée scientifique suggérait que cela était inutile. Puis sont venus les résultats contre-intuitifs. "Ce que nous avons découvert, c'est qu'en fait, chez les humains adultes, après quelques heures de privation monoculaire, la dominance oculaire se déplaçait vers l'œil qui avait été privé, ce qui est exactement le contraire de ce qui est observé pendant le développement", se souvient-elle. "Le résultat était difficile à croire, et allait à l'encontre de décennies de littérature scientifique".

Depuis lors, Claudia s'efforce de comprendre les mécanismes neuronaux à l'origine de cette plasticité visuelle et de trouver des moyens de la stimuler, afin que les fonctions visuelles des adultes puissent un jour être rétablies après des maladies que l'on pensait incurables. Ses travaux vont passer à la vitesse supérieure avec le lancement, en mai, de son projet HOPLA, grâce à la subvention du CER. Plus en détail, ce projet de cinq ans est divisé en quatre modules de travail différents :

La relation entre la plasticité hébbienne et homéostatique

Dans les années 1940, le psychologue canadien Donald Hebb a suggéré qu'une excitation répétée de neurones voisins renforçait les synapses entre eux, une théorie résumée par l'expression "les cellules qui tirent ensemble se connectent ensemble". La plasticité homéostatique est la tentative du cerveau de ramener les neurones et les synapses à leur état initial, afin que l'activité neuronale n'atteigne pas le point de saturation. Dans le cas de la privation monoculaire, la plasticité homéostatique vise à compenser la perte à court terme, tandis que la plasticité hébbienne est responsable des effets d'excitation ou de dépression de la privation. Nous savons que les deux formes de plasticité se produisent en même temps, mais comment interagissent-elles exactement ? Une expérience HOPLA impliquant l'apprentissage perceptif et la privation monoculaire pourrait apporter une partie des réponses.

Le rôle de l'équilibre excitation/inhibition dans la plasticité homéostatique

L'objectif ici est non seulement d'approfondir les mécanismes de la plasticité homéostatique, mais aussi de voir comment elle pourrait être consolidée et renforcée chez l'adulte. Une caractéristique clé de la plasticité homéostatique est l'équilibre entre deux forces motrices dans le cerveau, les neurotransmetteurs chimiques d'excitation et d'inhibition. "Nous pensons que les inhibiteurs agissent comme un frein à la plasticité", explique Claudia. "Si nous pouvions les libérer -- et des études ont montré que l'exercice physique peut réduire l'inhibition du cortex visuel -- nous pourrions rouvrir une "période critique" chez l'adulte. Avec HOPLA, je veux mesurer la concentration du neurotransmetteur inhibiteur dans le cortex visuel primaire en utilisant la spectroscopie de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) lorsque la plasticité est renforcée ou consolidée."

Nouvelles formes de plasticité homéostatique visuelle et auditive

Les progrès technologiques permettent de réaliser de nouvelles expériences dans de nombreux domaines. Pour la plasticité visuelle chez l'adulte, les expériences de HOPLA seront menées à l'aide de casques de réalité virtuelle pour une privation de deux heures non seulement d'un œil, mais d'un hémichamp visuel, c'est-à-dire le gauche ou le droit. L'objectif est de voir si la plasticité peut se produire dans un seul hémichamp, ce qui pourrait avoir des implications pour le traitement de l'hémianopsie, lorsque la maladie ou une blessure prive le patient de la vue d'un côté. Bien qu'une grande partie de HOPLA soit consacrée à la vision, l'équipe cherchera également à savoir si une forme similaire de plasticité homéostatique compensatoire se produit dans le système auditif.

L'interaction entre la neuroplasticité dans différents sens

Le dernier volet du projet HOPLA portera sur la "plasticité multimodale", c'est-à-dire la façon dont notre cerveau réagit à une perte sensorielle permanente en exploitant le cortex inutilisé. On sait déjà, par exemple, que le cortex visuel d'une personne atteinte de cécité précoce est approprié par d'autres sens, comme l'ouïe ou le toucher. HOPLA s'aventurera en territoire inconnu en étudiant l'interaction entre la plasticité multimodale et la plasticité monosensorielle. En pratique, cela signifie qu'il faudra tester le potentiel de plasticité du cortex visuel des sujets sourds, puis le relier à leur niveau de plasticité intermodale. Leurs résultats à ces tests peuvent ensuite être comparés à ceux de sujets non sourds et de sujets ayant reçu des implants auditifs.

L'espoir d'une meilleure qualité de vie

En fin de compte, Claudia et son équipe espèrent que leurs recherches fondamentales permettront de mieux comprendre la neuroplasticité sensorielle, afin que les cliniciens et les chercheurs en pharmacie puissent développer des thérapies visant à améliorer la qualité de vie des personnes concernées. Si les perspectives de HOPLA sont passionnantes, une année de pandémie les a fermement mises en veilleuse. Les restrictions sanitaires ont inévitablement retardé un projet qui dépend fortement d'expériences avec des volontaires humains, les plans de recrutement d'une équipe de recherche étant temporairement mis en veilleuse. "L'année a été difficile, et pas seulement pour moi", admet Claudia. "Environ 90% de nos recherches ont été bloquées pour des raisons de santé, alors je suis impatiente de commencer en mai, et de constituer une nouvelle équipe."

Au niveau organisationnel, l'équipe rejoindra le Laboratoire des Systèmes Perceptifs au sein du Département d'Études Cognitives de l'ENS. "Sur le plan scientifique, c'est un environnement extraordinaire pour travailler", déclare Claudia. "Le département rassemble des experts de différents aspects des sciences cognitives, de la philosophie à la linguistique, et des neurosciences computationnelles à la physiologie. Cette approche collaborative et multidisciplinaire est vraiment stimulante. C'est l'endroit idéal pour les nouvelles idées."