Chapitre 3 État actuel de la recherche scientifique concernant les
3.1 L’histoire de l’étude biologique des fonctions cérébrales et de
Il est très probable que dès la plus haute antiquité, l’être humain ait observé des rapports entre certaines lésions crâniennes et des changements du comportement, et qu’il se soit intéressé à ceux-ci. Mais la toute première preuve d’un intérêt scientifique concernant ces rapports dans l’histoire de l’humanité ne se trouve que dans un texte égyptien datant du XVIe siècle avant J.C.
Ce célèbre document, connu sous le nom de papyrus chirurgical d’Edwin Smith, rapporte une série de monographies provenant d’un ancien manuscrit composé autour des années 3000-2500 avant J.C. qui traitent systématiquement de quarante-huit cas typiques de lésions corporelles, dont vingt-sept crâniennes, en termes de descriptions anatomiques et de conseils pour leur traitement. On y trouve les premières observations des sutures du crâne, des méninges, du cortex cérébral, du liquide céphalorachidien et des pulsations intracrâniennes. Certaines lésions crâniennes y sont associées pour la première fois à des changements dans les fonctions d’autres parties du corps humain, en particulier à celles des membres
inférieurs, et la dislocation des vertèbres cervicales à la tétraplégie, à l’incontinence urinaire et au priapisme44.
Deux mille ans plus tard, vers 450 avant J.C., le médecin grec Alcmaeon de Crotone sera le premier à signaler le cerveau comme l’organe principal de la sensation se fondant sur des expériences de dissection anatomique dans des animaux morts. Mais la toute première description détaillée du cœur et du cerveau humains nous vient des premières études systématiques d’anatomie comparée accomplies sur des cadavres humains et animaux par Hérophile de Chalcédoine et Érasistrate de Céos vers l’année 300 avant J.C. Ces deux illustres savants grecs, fondateurs de l’école Alexandrine de médecine, sont considérés comme les découvreurs du système nerveux et comme les premiers à distinguer deux types différents de nerfs, moteurs et sensoriels. On rapporte, en plus, qu’Érasistrate fut le premier à observer un lien entre le degré de plissement des circonvolutions du cerveau de différentes espèces d’animaux et leur degré d'intelligence, et le premier à proposer que le siège de l’intelligence se trouverait dans les ventricules cérébraux45.
Après la mort d’Hérophile et d’Érasistrate vers 250 avant J.C., les recherches anatomiques ont cessé en raison de l’interdiction de la dissection de cadavres par le droit romain et de l’hostilité de l’église à cette pratique. Il a fallu attendre jusqu’au XVIe siècle, vers l’année 1530, pour que le grand anatomiste et médecin flamand André Vésale recommence à disséquer des cadavres humains dans le dessein de renouveler les méthodes, les théories et les recherches de Galien, le célèbre médecin grec de l’école de gladiateurs de Rome, qui étaient devenues, avec celles d’Hippocrate, la référence médicale pendant les années de stagnation intellectuelle
44 Wilkins, R.H., « The Edwin Smith Surgical Papyrus », Journal of Neurosurgery, March 1964, pp. 240-244. 45 Bien que les traités médicaux de ces deux illustres médecins n'aient survécu à l'incendie de la bibliothèque
d'Alexandrie, ils ont été cités et commentés notamment par Rufus d'Éphèse, Soranos, Celse et Galien. Ce dernier affirma vers l’année 170 que le cerveau était un organe glandulaire sécrétant quatre humeurs vitales, a savoir bile, sang, flegme, et bile noire, et que le tempérament et les fonctions corporelles de la personne étaient déterminés par les proportions de ces quatre humeurs différentes.
de l’Europe médiévale, et cela en dépit des erreurs introduites dans leurs théories par le manque d’observations directes.
Fondé sur ses études sur des cadavres humains, Vésale publia en 1543 son fameux De Humanis Corporis Fabrica, un impressionnant traité d'anatomie où il mit en évidence au moins deux cents erreurs de Galien et où il présenta, entre plusieurs autres, une description sans précédent du cerveau et des organes des sens. Cent vingt ans s’écoulèrent avant que cette description ne fût surpassée par la toute première monographie traitant de l’anatomie et de la physiologie du cerveau d’une manière révolutionnaire, à savoir la fameuse Cerebri Anatome, publiée par l’illustre médecin anglais Thomas Willis, en Oxford, en 166446.
En effet, la pratique de l’autopsie sur un nombre considérable de ses patients permit à ce dernier non seulement d’acquérir une connaissance beaucoup plus profonde de l’anatomie et du fonctionnement du corps humain, mais encore d’établir scientifiquement plusieurs liens entre des comportements anormaux et des lésions cérébrales, et de connaître les fondements pathologiques d’un nombre considérable de maladies importantes. Par la suite Willis publia en 1667 son
Pathologiae Cerebri et Nervosi Generis Specimen, où l’on traite pour la première
fois en termes médicaux de l’épilepsie et d’autres maladies convulsives, et un peu plus tard, en 1672, son célèbre De Anima Brutorum Quae Hominis Vitalis ac
Sensitiva Est, un des tout premiers traités de psychologie médicale et un des
travaux les plus marquants dans l’histoire de cette discipline. Dans ce texte remarquable, Willis discuta, entre autres, du sommeil, du vertige et des maux à la tête, et compara fonctionnellement le système nerveux humain avec le système nerveux d’autres animaux.
46 Outre qu’il introduisait de nouveaux termes de base pour la nomenclature anatomique moderne du cerveau,
dont le concept même de neurologie, ce texte célèbre établissait pour la première fois que ce sont les hémisphères cérébraux qui déterminent l’action et la pensée, et que leur fonctionnement est complètement séparé de celui des autres parties du cerveau qui s’occupent de la motricité. Ce traité attribua aussi correctement certains fonctions spécifiques au corpus callosum, au corpus striatum et au cervelet. ( Molnar, Z., « Thomas Willis (1621-1675), the founder of clinical neuroscience », Nature Reviews, Neuroscience, April 2004, 5: 329-335 ).
C’est précisément en raison du caractère extraordinaire de leurs études en anatomie et en médecine clinique que Vésale et Willis sont reconnus par l’histoire, le premier comme le père de l’anatomie moderne, le deuxième comme le fondateur des neurosciences cliniques et comme le père de la neurologie moderne.
Nous avons un exemple notable de l’influence du travail clinique de Willis sur celui d’autres grands neurologues dans les recherches de Paul Broca, en France, au début des années 186047, et de Carl Wernicke, en Allemagne, dix ans plus tard48. Car en examinant après la mort le cortex cérébral de certains de leurs patients souffrant de troubles de langage, ces deux grands neurologues conclurent que ces comportements anormaux étaient reliés à certaines lésions corticales communes sur des régions particulières du cerveau. Les patients de Broca, qui étaient capables de comprendre le langage mais étaient dépourvus de la production de la parole, avaient souffert des lésions sur le lobe frontal de l’hémisphère gauche du cerveau, tandis que les patients de Wernicke, dont le langage était incohérent pour ceux qui les écoutaient, avaient aussi des lésions sur l’hémisphère gauche, mais dans la partie postérieure du cerveau. Les découvertes de Broca et de Wernicke ont fourni la toute première preuve empirique, d’abord, de la possibilité réelle d’associer une fonction supérieure complexe mais précise à une région spécifique du cortex cérébral, ensuite, de la possibilité réelle pour distinctes aires corticales spécialisées de participer ensemble à une fonction supérieure complexe, et finalement, de la possibilité réelle que les deux hémisphères cérébraux, bien que symétriques en apparence, s’occupent chacun de fonctions différentes. Ces découvertes ont motivé un effort considérable par la communauté scientifique de leur génération et de la génération suivante pour trouver l’emplacement d’autres fonctions cérébrales supérieures dans le cortex cérébral. Nous verrons un peu plus
47 Broca P., « Perte de la parole, ramollissement chronique et destruction partielle du lobe antérieur gauche du
cerveau. » Bulletins de la Société d’anthropologie, 1re série 1861; 2: 235–238, et Broca P., « Nouvelle observation d’aphémie produite par une lésion de la troisième circonvolution frontale. » Bulletins de la
tard jusqu’à quel point ce concept d’aires spécialisées interconnectées à la manière d’un réseau fonctionnel est central à la recherche contemporaine en neurobiologie.
Toutefois, les ouvrages de référence les plus reconnus dans le domaine de l’histoire des neurosciences49 ne placent la naissance de celles-ci qu’au début du XIXe siècle, période qui correspond aux toutes premières descriptions des tissus nerveux par des chercheurs européens50. En effet, les techniques de coloration et de fixation cellulaire développés vers la moitié de ce siècle51, aussi bien que les améliorations progressives apportées aux microscopes, ont permis des observations tissulaires chaque fois plus précises, aboutissant à la publication par Santiago Ramón y Cajal en 1894, en Espagne, de ses Nouvelles idées sur la fine
anatomie des centres nerveux, écrit contenant la toute première reconstruction
détaillée du neurone et de ses circuits adjacents52, et un peu plus tard, en 1904, à celle de son Histologie du système nerveux de l’homme et des vertébrés, ouvrage qui est considéré le texte fondateur de la neurobiologie moderne53.
48 Wernicke, C., Der Aphasische Symptomencomplex, Tasehen, Breslau, 1874.
49 Par le terme neurosciences, nous ne nous referons pas exclusivement à la neurobiologie, qui en est la
science la plus représentative, mais aussi à des disciplines encore plus récentes qui s’occupent aussi à différents degrés de l’étude scientifique du système nerveux, comme la neurophysiologie, la neurobiologie moléculaire, la biophysique et la neuroinformatique.
50 Principalement celles de Dutrochet à Paris en 1824, d’Ehrenberg à Berlin en 1836, et de Purkinje en
Tchécoslovaquie en 1837 ( Horcholle-Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005) Le neurone computationnel.
Histoire d’un siècle de recherches. CRNS Editions, Paris, pp. 11-12 ).
51 Surtout les techniques et les théories du célèbre docteur de la ville de Pavie, Camillo Golgi.
52 Toutes les cellules de tous les tissus d’un organisme vivant sont semblables, régulières et de forme
géométrique simple à l’exception de celles qui constituent le tissu nerveux. Ce dernier se présente à la vue comme étant formé d’une multiplicité de cellules complexes caractérisés par des expansions aux contours mal définis qui dépassent le plus souvent les limites du champ d’observation au microscope ou même le volume d’une seule préparation microscopique. Des corps cellulaires des neurones, ou somas, partent quelques gros troncs d’aspect lisse et diamètre uniforme, nommés axones, qui se divisent en fines branches, appelées dendrites, qui à la fois se divisent successivement pour donner un arbre dendritique, souvent jusqu’au point où leur appartenance n’est plus identifiable. Cette arborisation fait aussi exception à la théorie cellulaire générale étant une forme d’organisation complexe particulière au tissu nerveux. ( Horcholle- Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005), Le neurone computationnel. Histoire d’un siècle de recherches. CRNS Editions, Paris, p. 11 ).
53 Horcholle-Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005), Le neurone computationnel. Histoire d’un siècle de
Parallèlement, en Angleterre, le célèbre physiologiste Charles S. Sherrington établissait par suite de ses expériences de laboratoire le concept d’activité réflexe, et décrivait les trois composants neuronaux de l’arc réflexe ( récepteur, conducteur et moteur )54. Dans la synthèse de ses travaux, publiés entre 1906 et 1910, Sherrington inféra la direction de la conduction de l’influx nerveux dans le neurone s’appuyant sur les observations histologiques de Ramón y Cajal55, et conclut correctement que, outre la conduction de l’influx nerveux au sein de chaque neurone, l’arc réflexe impliqua aussi une conduction entre neurones, nonobstant les observations expérimentales, qui suggéraient l’existence d’une surface de séparation entre ceux-ci. Sherrington nomma ce contact singulier d’une cellule nerveuse sur une autre synapse56.
Finalement, en 1797, la fameuse expérience de Luigi Galvani montrant que la mise en contact de deux nerfs sciatiques provoquait la contraction des muscles de la patte d’une grenouille établit définitivement que l’influx nerveux est une électricité animale produite par des mécanismes vitaux encore inconnus.
Mais si l’origine de cette électricité animale demeura obscure, les expériences sur la conduction nerveuse montrèrent clairement, par contre, que cette dernière était un phénomène purement physiologique appartenant aux domaines de la physique
54 « Analysant les composantes de l’arc réflexe dans le système nerveux central, il [Sherrington] montre que la
conduction des influx concerne au moins trois types de neurones, dont le premier est un récepteur cutané et le dernier un motoneurone. Il aborde le problème de la transmission des influx au niveau des neurones spinaux localisés entre les deux. » ( Horcholle-Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005), Le neurone
computationnel. Histoire d’un siècle de recherches. CRNS Editions, Paris, p. 18 ).
55 « Les neurones sont des appareils générateurs et conducteurs de l’onde nerveuse. Voilà le fait fondamental.
La morphologie de ces éléments doit naturellement s’adapter à ces deux fonctions. En outre de leur corps, usine de production ou de transformation de cette onde, ils présenteront donc des expansions, véritables conducteurs reliant directement ou indirectement les surfaces sensibles de l’organisme aux organes réactionnels du mouvement et de la sécrétion, muscles et glandes. La forme de la cellule en tant qu’expression de ces relations est par la suite l’un de ses attributs les plus importants. Certes, il ne faut point aller jusqu’à exiger de cette forme qu’elle nous dévoile l’essence de l’excitation nerveuse ». ( Ramón y Cajal, cité par Horcholle-Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005), Le neurone computationnel. Histoire d’un siècle de
recherches. CRNS Editions, Paris, p. 19 ).
56 « …l’extrémité d’une branche axonique n’est pas en continuité mais en contact avec la substance de la
dendrite qu’elle rencontre. Ce contact spécial d’une cellule nerveuse sur une autre, établit une connexion que l’on appelle synapse » ( définition par Sherrington de la synapse, citée par Horcholle-Bossavit, G.;Tyc- Dumont, S. (2005), Le neurone computationnel. Histoire d’un siècle de recherches. CRNS Editions, Paris, p. 18 ).
et de la chimie. Ce fut l’école allemande qui, vers la moitié du XIXe siècle, mit en vigueur une méthode d’analyse fondée sur l’idée que les phénomènes physiologiques pouvaient, en général, être réduits à des événements physiques, et alors, que la science devrait toujours chercher à les expliquer par l’ensemble de lois physicochimiques, préconisant de cette manière un empirisme total. C’était la naissance de l’électrophysiologie57, et avec cette nouvelle discipline, des premières observations conduisant à la découverte des lois qui gouvernent les phénomènes osmotiques qui se trouvent à l’origine des courants électriques traversant les diverses membranes du corps humain.
Il est important de signaler que c’est aussi au cours de la première moitié du XIXe siècle que s’élabore la thèse proposant la cellule comme l’unité fondamentale de tous les êtres vivants, thèse qui affirmait en même temps que toute nouvelle cellule ne peut provenir que d’une cellule préexistante58. C’est l’époque de la publication des théories avancées par Charles Lyell, Alfred Russell Wallace et Charles Darwin, portant, respectivement, sur l’évolution géologique de la Terre, sur les homologies et analogies des membres et des organes qui assurent la même fonction dans les organismes vivants, et sur l’origine des espèces. On assiste alors à la naissance de la géologie, de l’anatomie comparée, de l’embryologie et de la paléontologie comme sciences modernes.
C’est essentiellement en raison de la convergence de toutes ces observations, découvertes et nouvelles théories scientifiques que l’on considère qu’à proprement parler, personne avant cette période de l’histoire n’avait vraiment réussi à placer le
57 Inaugurée notamment par Johannes P. Müller, titulaire de la chaire de physiologie de l’université de Berlin et
ses illustres élèves Hermann von Helmotz, Emil Dubois-Reymond, Ernst W. R. von Brücke et Ivan Sechenov, et se développant plus tard appuyée sur le travail de nombreux physiciens de renom, tels Max Plank, Walter Hermann Nernst et Julius Bernstein ( Horcholle-Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005), Le neurone
computationnel. Histoire d’un siècle de recherches. CRNS Editions, Paris, pp. 28 et 29 ).
58 « omnis cellula e cellula », selon la formule du célèbre physiologiste allemand Rudolph Virchow ( Horcholle-
Bossavit, G.;Tyc-Dumont, S. (2005), Le neurone computationnel. Histoire d’un siècle de recherches. CRNS Editions, Paris, p. 10 ).
siège de l’esprit et de ses fonctions constitutives dans le cerveau et dans l’ensemble du système nerveux59.
Pourtant, il a fallu attendre l’arrivée du XXe siècle pour que les innovations techniques nécessaires à l’avancement sans précédent de la neurobiologie se produisent. En effet, deux grandes inventions se trouvent à la base de ce grand saut technologique: la première est celle de l’électro-encéphalographie60, par Hans Berger en 1929, et la deuxième celle de la toute première microélectrode capable de pénétrer un neurone sans le détériorer61, par Gilbert Ling et ses collaborateurs en 1949. Avec l’aide de la micromécanique de précision pour la contention des microélectrodes et leur juste orientation, de l’électronique pour les chaînes d’amplification du signal nerveux, et de l’informatique pour l’entreposage, l’analyse et le traitement statistique des mesures expérimentales, ces deux instruments sont considérés comme les outils indispensables de l’électrophysiologie moderne.
59 « Philosophers and artists of such stature as Descartes, Leonardo da Vinci, and a long list of other less
outstanding scholars, dared to inspect the brain in the hope of discovering the mystery of its function and the site of the mind. Their efforts resulted in beautiful drawings but obviously not in the discovery of brain function, much less the site of the mind. » ( Levi-Montalcini, R. in Corsi, P., (ed.), The Enchanted Loom.
Chapters in the History of Neuroscience, New York, NY, Oxford University Press, 1991. Foreword ).
60 Berger, H., Über das Elektroenkephalogramm des Menschen, Arch. Psychiatr. und Nervenkrankheiten,
1929, 87: 527–570. Le travail de Berger est fondé sur la découverte de l’activité électrique du cerveau par Richard Caton en Angleterre ( Caton, R., The electric currents of the brain, Brit. Med. J., 1875, ii: 278 ), mais ne fut mis en relief qu’un peu plus tard, vers 1934, par la recherche de Edgar Douglas Adrian, prix Nobel de Médecine (1932), et par celle de B.C.H. Mathews, entre autres.
61 Décrite dans G. Ling and R.W. Gerard, « The normal membrane potential of frog sartorius fibers », J. Cell.