Rôle de la plasticité cérébrale dans l'apprentissage et la récupération - Maxicours

Rôle de la plasticité cérébrale dans l'apprentissage et la récupération

Objectifs
  • Définir la notion de plasticité cérébrale.
  • Comprendre le rôle de la plasticité cérébrale dans l’apprentissage.
  • Mesurer les conséquences de traumatismes sur l’organisation cérébrale.
  • Comprendre le rôle de la plasticité cérébrale dans la récupération de certains accidents.
Points clés
  • La plasticité cérébrale correspond à la capacité du cerveau à remodeler et modifier ses connexions en fonction de l'environnement et des expériences vécues par l'individu.
  • Cette propriété remarquable du système nerveux permet à l’individu de s’adapter à son environnement.
  • Dans le cas d’apprentissage moteur, comme jouer d’un instrument de musique, on constate que la carte du cortex moteur peut évoluer : les aires motrices de certains muscles peuvent s’étendre ou régresser au gré de leur sollicitation lors d’entrainements moteurs.
  • Des régions du cerveau peuvent être gravement détériorées suite à un AVC ou à cause d’une tumeur. Néanmoins, certaines zones cérébrales se réorganisent plus ou moins grâce à la plasticité cérébrale, ce qui permet aux malades de récupérer certaines fonctions.
  • Lors de traumatismes physiques graves comme les amputations, les changements de l’organisation du cortex moteur ne sont pas définitifs puisqu’en soignant les patients, par exemple avec une greffe, on constate que le cerveau peut retrouver une organisation quasi-normale.
  • L’apprentissage et la récupération de la fonction cérébrale après un accident reposent sur la plasticité cérébrale.
Pour bien comprendre
  • Le cerveau est composé de neurones et de cellules gliales qui assurent le bon fonctionnement de l’ensemble.
  • Ces cellules communiquent entre elles grâce aux synapses.
1. La notion de plasticité cérébrale
a. Un peu d’histoire

La plasticité cérébrale a été évoquée dès la fin du 19e siècle par de nombreux scientifiques.

L’idée que le cerveau puisse voir son fonctionnement se modifier en fonction des expériences et du vécu de l’individu s’imposait déjà, mais les techniques d’études ne permettaient pas encore de visualiser ces changements.

Ce n’est qu’à partir des années 1950 que les méthodes d’investigation de l’activité cérébrale ont permis de voir la nature de ces modifications. Depuis, on ne cesse de découvrir l’ampleur de ce phénomène et l’incroyable adaptabilité du système nerveux.

Les capacités motrices d’une personne évoluent au cours de sa vie, lors de son enfance, mais également à l’âge adulte. Ces changements sont la conséquence de la plasticité cérébrale, c'est-à-dire de la capacité du cerveau à modifier perpétuellement son fonctionnement.

b. Mise en évidence de la plasticité cérébrale

La comparaison de cartes motrices chez différents individus a mis en évidence que la disposition des aires correspondant aux différentes zones du corps humain restait la même chez chacun d’entre eux.

En revanche, l’étendue de ces aires changeait d’un individu à l’autre. Certaines avaient une surface plus importante, d’autres étaient plus petites. Ces changements traduisent le vécu de chacune des personnes.

2. La plasticité cérébrale au cours du développement

Sous l'influence du programme génétique, les neurones se mettent en place en majeure partie au cours de la vie embryonnaire.

Les connexions entre les neurones commencent à s’établir à la fin de la grossesse. Et au contraire de la précédente, cette étape fait intervenir l’environnement.

À la naissance, le cerveau d’un bébé est composé d’environ 100 milliards de neurones qui cessent alors de se multiplier.

Mais la fabrication du cerveau est loin d’être terminée : 10 % des connexions s’établissent à la fin de la vie fœtale et sont présentes à la naissance. 90 % des connexions s’établissent après la naissance, et en particulier durant les deux premières années de vie, en fonction de son environnement (stimulations, interactions...).

En effet, dès sa naissance, l’enfant est confronté à une multitude de situations qui vont contribuer à construire sa personnalité et ses aptitudes motrices. Certaines connexions vont alors être maintenues, d’autres vont disparaître.

Si nos gènes sont à l’origine de notre cerveau et des cellules qui le constituent, il ne s’agit là que de son organisation générale.

La plasticité, elle, va intervenir au fur et à mesure des expériences vécues, et permettre l’élaboration d’une multitude de connexions formant un réseau neuronal propre à chacun de nous, et en perpétuelle évolution.

3. La plasticité cérébrale au cours de l'apprentissage et de l'entrainement
a. L’apprentissage d’un instrument de musique

Parmi les nombreuses études réalisées dans le domaine de l’apprentissage, on peut citer celles qui ont pour objet l’apprentissage d’un instrument de musique.

Il a été clairement établi que plus cet apprentissage avait lieu tôt chez l’enfant, plus les capacités motrices étaient élevées.

Exemple : l’apprentissage du violon

Il a été constaté que la zone du cortex cérébral qui contrôle les mouvements de la main gauche est deux fois plus étendue chez un violoniste professionnel que chez une personne qui ne joue pas du violon.
On remarque également que la zone corticale de l’auriculaire gauche est plus étendue que celle du pouce gauche chez le musicien. Il faut savoir que chez ces musiciens, la main gauche est plus sollicitée sur le manche du violon que la main droite qui tient l'archet.


On montre également que l’augmentation de cette zone du cortex, qui contrôle les doigts de la main gauche, est d’autant plus grande que l’apprentissage du violon a commencé jeune, soit entre 5 et 10 ans. En effet, le nombre de dendrites connectées dans cette zone corticale est beaucoup plus élevé chez les enfants ayant commencé l’apprentissage du violon avant 10 ans que chez un sujet témoin (non musicien). Cette différenciation du cerveau résulte donc bien d’un apprentissage.


La plasticité cérébrale permet un maximum d'apprentissages lors de l’enfance, et entraine des modifications des zones corticales.

Pour finir, on constate que lorsqu’une personne s’arrête de jouer d’un instrument, la zone corticale finit par diminuer de surface et retrouve pratiquement la forme et la taille d’une personne qui n’a jamais joué de musique. L’entrainement régulier contribue donc à maintenir les modifications du cerveau engendrées par l’apprentissage. S’arrêter de pratiquer a pour conséquence de moins bien maitriser la technique même si l’on sait toujours jouer. Les zones corticales sont alors moins sollicitées et retrouvent l’aspect de celles d’un non musicien.

b. L’entrainement au jonglage

Il faut plusieurs semaines pour apprendre à jongler avec trois balles. Après cette période, l’examen du cerveau par IRM montre une extension des régions cérébrales contrôlant la motricité et la vision. Mais dès que les jongleurs arrêtent, ces zones régressent.

c. Conclusion

Chaque individu a sa propre histoire, il pratique certains sports et/ou certaines activités manuelles. La carte motrice s’adapte à ces modifications de l’environnement. La plasticité cérébrale permet la mise en place d’un phénotype particulier du cortex moteur. On observe d’ailleurs des différences plus ou moins marquées chez les « vrais » jumeaux, même s’ils ont été élevés ensemble.

4. Accidents et capacités de récupération

Le cortex moteur peut se réorganiser à tout moment grâce à la plasticité cérébrale.

C’est le cas lors des accidents de la vie, qu’ils soient physiques ou cérébraux. On observe alors des modifications conséquentes des zones motrices corticales.

a. Rôle de la plasticité cérébrale dans la récupération des lésions cérébrales

Lors d’un AVC (accident vasculaire cérébral), un hématome se forme à cause de la rupture d’un vaisseau sanguin ; il est toujours suivi d’une nécrose de la région concernée, c'est-à-dire que cette dernière est détruite, de manière définitive.

Évidemment, les fonctions associées à cette zone sont affectées : si l’accident a lieu dans l’aire motrice, le patient est paralysé. On observe la plupart du temps une hémiplégie, c'est-à-dire une paralysie controlatérale à la lésion.

Dès que l’état de santé du malade le permet, on commence la rééducation fonctionnelle. En effet, les observations ont montré que plus on sollicite le patient tôt et souvent, plus les chances de récupération augmentent.

Dans 1/3 des cas, les malades restent dépendants, mais les 2/3 d’entre eux, même s’ils ont parfois des séquelles, retrouvent leur autonomie. Depuis longtemps, les médecins ont compris que cette récupération des fonctions motrices implique que le cerveau se réorganise afin de pallier la zone morte. L’imagerie cérébrale fonctionnelle a permis de visualiser ces changements. Plusieurs phénomènes ont été constatés.

Dans certains cas, on peut observer une activation anormale des deux hémisphères.

  • L’aire corticale qui se trouve du même côté que le membre paralysé fonctionne alors qu’elle ne le fait pas habituellement. L’hémisphère sain semble prendre en charge la motricité des membres affectée par l’AVC.
  • La plasticité cérébrale intervient également dans l’hémisphère atteint. Dans pratiquement tous les cas, on a mis en évidence une modification de la répartition de l’activité cérébrale dans le cortex. En effet, une partie des zones voisines de la lésion semble prendre le relais.

Ce qui est particulièrement étonnant dans ce processus, c’est que le patient récupère en partie de sa paralysie, mais qu’en plus la motricité des autres régions du corps n’est absolument pas affectée. La récupération neurologique serait alors due à l’activation de cellules nerveuses existantes mais sous-employées.

Remarques 
On a constaté que lorsque les lésions cérébrales surviennent chez les enfants, ceux-ci récupèrent beaucoup plus facilement.
De plus, les séquelles sont beaucoup moins importantes que celles observées chez des adultes avec des lésions comparables.
Ces observations confirment que la plasticité cérébrale est beaucoup plus efficace pendant la croissance.
b. Réorganisation corticale suite à un accident affectant un membre
Réorganisation suite à une amputation

Des changements notables des aires corticales motrices ont été observés chez des accidentés ayant dû subir des amputations.

Les cas de patients ayant perdu une ou deux mains ont été particulièrement étudiés, dans la mesure où l’aire corticale qui innerve la main est assez grande et donc plus facile à étudier avec les techniques d’imagerie fonctionnelle.

On a constaté que très rapidement après la perte du membre, la zone motrice affectée à la main devient de plus en plus petite car les zones voisines s’agrandissent et en particulier celle du visage.

De nombreux cas montrent que cette plasticité du cerveau peut varier selon les situations, et surtout selon les moyens mis en œuvre pour aider les personnes.

Réorganisation suite à la pose d’une prothèse

Lorsqu’on le peut, on remplace la main par une prothèse robotisée que le patient apprend à contrôler en contractant les muscles de ses avant-bras.

Prothèse robotisée

Chez les utilisateurs de telles prothèses, qui permettent entre autres de reproduire certains gestes de la main comme la saisie d’objets, on constate que la région motrice dédiée à la main régresse beaucoup moins.

Réorganisation suite à une greffe

La chirurgie a fait depuis quelques décennies des progrès considérables. En 2000, la première double greffe de main a été réalisée par l’équipe du professeur Dubernard.

Cette intervention a été l’occasion de faire une étude très approfondie de la plasticité cérébrale.

  • Avant la greffe, l’IRM fonctionnelle avait montré que dans chaque hémisphère, la zone corticale de la main était fortement réduite, celle du visage s’étant agrandie.
  • Après la greffe, l’imagerie cérébrale a montré que l’aire du visage avait pratiquement retrouvé sa forme habituelle au bout de quelques mois. La zone correspondant aux mains était à nouveau active pour commander les mouvements des doigts.

Cartes d'activations obtenues dans le cortex moteur lorsque le patient greffé exécute des mouvements manuels.

Le corps est représenté dans le cerveau de manière inversée.
Sur l'image de gauche, sont rapportées les activations dans le cortex moteur primaire (M1) gauche qui contrôle les mouvements de la main droite, et inversement sur l'image de droite.
En rouge, les activations obtenues lors de l'examen effectué avant la transplantation ; en bleu, six mois après et en vert, la zone de recouvrement entre les deux examens.

La principale conclusion de cette étude est que les mains greffées sont reconnues et activées de manière normale par le cortex moteur.

En effet, la plasticité cérébrale qui intervient après un accident peut également entrainer un remodelage afin de retrouver l’organisation qu’avait le cerveau avant l’accident.

Soigner les douleurs fantômes avec des vidéos

Certains accidentés ont parfois des sensations douloureuses liées à leur membre disparu : les douleurs fantômes. À l’heure actuelle, on ne connaît toujours pas l’origine de ce phénomène.

Afin d’éviter de prescrire des traitements médicamenteux parfois très lourds pour les soulager, des médecins ont trouvé des solutions parfois étonnantes.

L’un des traitements remarquables consiste à tromper le cerveau à l’aide d’un dispositif vidéo en présentant au patient une image de son bras paralysé en train de bouger (il s’agit d’enregistrements de son bras sain).

Chez les personnes pour lesquelles l’accident était récent, les douleurs fantômes ont pratiquement disparu, au point d’arrêter les médicaments antidouleur. Le soulagement a même duré plusieurs mois après l’arrêt de l’utilisation du dispositif vidéo.

L’imagerie fonctionnelle a montré que la zone motrice dédiée à la main et au bras avait retrouvé une activité normale. C’est d’autant plus remarquable que le patient est conscient de la supercherie.

Une des hypothèses proposée pour expliquer ce phénomène est que le cortex moteur s’organise en voyant les gestes qu’il commande.

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