L’importance de la cartographie du circuit cervelet-cortex préfrontal

Cervelet (petit cerveau en latin) en rouge. Cerebellar signifie « lié au cervelet ».

Source : Wikimedia Commons

La semaine dernière, j’ai écrit un billet de blog qui rappelait comment mon père neuroscientifique, Richard Bergland (1932-2007), et moi-même avons créé, au début des années 2000, un modèle de cerveau divisé que nous avons appelé« cerveau en haut – cerveau en bas« . Selon ce modèle, la clé pour éviter la « paralysie par l’analyse » dans le sport est de « débrider » la machinerie intellectuelle du cortex préfrontal et de laisser le cervelet prendre les rênes. J’ai inclus un diagramme pleine page de ce modèle de cerveau divisé dans The Athlete’s Way, qui a été publié le 12 juin 2007.

Tragiquement, mon père est décédé d’une crise cardiaque peu après la date de publication du livre. Après sa mort, j’ai fait le vœu de continuer à essayer de comprendre ce que fait le mystérieux « petit cerveau », en l’honneur de mon père qui disait toujours : « Nous ne savons pas exactement ce que fait le cervelet, mais quoi qu’il fasse, il en fait beaucoup : « Nous ne savons pas exactement ce que fait le cervelet, mais quoi qu’il fasse, il en fait beaucoup.

Le cortex préfrontal (PFC) en rouge.

Source : Wikimedia Commons

Vers 2009, j’ai commencé à réaliser que la clé pour comprendre l’interaction entre le « cerveau pensant » (cerveau cérébral) et le « cerveau non pensant » (cervelet) était moins la localisation de ces régions cérébrales que la connectivité fonctionnelle inter-hémisphérique entre les deux hémisphères cérébraux et les deux hémisphères cérébelleux, ainsi que la connectivité intra-hémisphérique entre les microzones à l’intérieur de chaque hémisphère.

Comme vous pouvez le voir sur la carte rudimentaire du cerveau (ci-dessous) que j’ai dessinée en 2009, l’hémisphère cérébral gauche travaille avec l’hémisphère cérébelleux droit pour contrôler le côté droit du corps et vice versa.

Cette carte du cerveau illustre comment les deux hémisphères cérébraux et les deux hémisphères cérébelleux travaillent ensemble pour optimiser les fonctions de l’ensemble du cerveau via les circuits cérébro-cérébelleux.

Source : Photo et illustration de Christopher Bergland (circa 2009)

Depuis que j’ai dessiné cette carte du cerveau « Super 8 » il y a plus d’une décennie, je reste à l’affût des avancées scientifiques qui permettraient d’expliquer pourquoi il est important de « combler les lacunes » entre les quatre hémisphères cérébraux. En 2018, j’ai fait état d’une percée dans la cartographie du cerveau cérébelleux réalisée par Xavier Guell, John Gabrieli et Jeremy Schmahmann du McGovern Institute for Brain Research du MIT et du Massachusetts General Hospital de la Harvard Medical School. (Voir« La cartographie du cervelet humain recadre les fonctions de l’ensemble du cerveau« ).

Les circuits cérébro-corticaux cérébelleux régulent les comportements liés aux TSA

Ce mois-ci, une autre étude révolutionnaire apporte de nouvelles informations et de nouvelles cartes détaillées qui illustrent comment une microzone de l’hémisphère cérébelleux droit appelée « Rcrus1 » et le vermis cérébelleux (qui est pris en sandwich entre les hémisphères gauche et droit du cervelet) fonctionnent en conjonction avec le cortex préfrontal médian (CPM). Cet article(Kelly, Meng, Fujita, et al., 2020) a été publié le 13 juillet dans Nature Neuroscience.

L’illustration montre les circuits cérébro-corticaux cérébelleux médiant les comportements liés aux troubles du spectre autistique ; en particulier, la modulation de Rcrus1 influence le comportement social tandis que la modulation du vermis postérieur a un impact sur les comportements répétitifs et la flexibilité comportementale. Les chercheurs de l’UTSW ont présenté ces résultats dans une étude récente parue dans Nature Neuroscience.

Source : Image créditée à UT Southwestern Medical Center

Comme le montre la carte du cerveau ci-dessus, les chercheurs de l’UT Southwestern Medical Center ont découvert que ce circuit cérébro-cérébelleux semble jouer un rôle essentiel dans les comportements sociaux, les comportements répétitifs et la flexibilité comportementale chez les souris. Ces comportements liés à l’autisme chez la souris reflètent les comportements des TSA chez l’homme. Comme l’expliquent les auteurs, « un dysfonctionnement cérébelleux a été démontré dans les troubles du spectre autistique (TSA) ; cependant, les circuits qui sous-tendent les contributions cérébelleuses aux comportements liés aux TSA restent inconnus ». (Voir« Les circuits cérébro-cérébelleux nous rappellent que savoir ne suffit pas« )

« Dans cette étude, nous avons démontré la connectivité fonctionnelle entre le cervelet et le cortex préfrontal médian (CPM) chez la souris ; nous avons montré que le CPM est le médiateur des comportements sociaux et répétitifs/inflexibles régulés par le cervelet », écrivent les auteurs. « Nous avons délimité un circuit allant des zones corticales cérébelleuses Right crus 1 (Rcrus1) et du vermis postérieur, passant par les noyaux cérébelleux et le thalamus ventromédian, et aboutissant au mPFC ».

Des recherches antérieures menées par l’auteur principal Peter Tsai et ses collègues ont démontré que l’inhibition de l’activité des cellules de Purkinje dans la région Rcrus1 du cervelet modifiait les comportements sociaux, répétitifs et inflexibles chez les souris. À l’inverse, ils ont également constaté que la stimulation de cette région permettait de rétablir des comportements sociaux typiques dans le modèle de souris adapté aux troubles du spectre autistique (TSA).

Pour leur dernière étude (2020), Tsai et ses coauteurs ont utilisé des souris génétiquement modifiées pour éliminer l’activité des cellules de Purkinje. Les chercheurs ont constaté que la réduction de l’activité des cellules de Purkinje dans le cervelet s’accompagnait d’une augmentation de l’activité neuronale dans le cortex préfrontal. Plus précisément, ils ont découvert que la diminution de l’activité de Rcrus1 était associée à une augmentation de l’activité du mPFC.

Notamment, lorsque les chercheurs ont inhibé (c’est-à-dire « débridé ») l’activité du cortex préfrontal chez ces souris génétiquement modifiées, leurs déficiences sociales et leurs comportements répétitifs/inflexibles se sont améliorés.

En suivant les comportements autistiques associés aux circuits corticaux cérébelleux-préfrontal, les chercheurs ont également découvert que les circuits neuronaux du vermis postérieur et de la région rCrus1 du cervelet convergent vers le cortex préfrontal. « La modulation de ce circuit a induit des déficits sociaux et des comportements répétitifs, tandis que l’activation des cellules de Purkinje (CP) dans Rcrus1 et le vermis postérieur a amélioré les déficits de préférence sociale et les comportements répétitifs/inflexibles, respectivement, chez les souris mutantes PC-Tsc1 mâles », écrivent les auteurs dans le résumé de l’article.

« Chacune de ces régions pourrait jouer un rôle clé dans les thérapies futures potentielles pour les TSA », a déclaré Tsai dans un communiqué de presse. « Tout comme un électricien peut réparer le câblage d’une maison une fois qu’il a compris le schéma électrique, ces résultats nous donnent un espoir potentiel d’améliorer l’activité dysfonctionnelle dans les circuits impliqués dans les TSA.

Cette recherche pionnière sur la souris soulève la possibilité qu’un jour, des thérapies conçues pour cibler les circuits cérébro-cérébelleux qui relient la région rCrus1 et le vermis du cervelet au cortex préfrontal pourraient améliorer le comportement lié aux TSA chez l’homme.