Notre cerveau détermine les perceptions, les actions, les pensées et les sentiments, et même notre caractère. Les prédispositions génétiques jouent un rôle tout aussi important que les expériences personnelles et les influences de l'environnement et des autres êtres humains. Les informations parviennent à notre cerveau par l'intermédiaire des sens, comme la vue, le toucher, l'ouïe ou le goût. C'est seulement ici qu'émerge une image unique et individuelle du monde. D'innombrables processus conscients et inconscients se déroulent en permanence dans le cerveau d'une personne. Cela modifie également le cerveau lui-même.

Les progrès décisifs de la microscopie et d'autres techniques d'imagerie montrent de plus en plus précisément le fonctionnement de notre cerveau. Mais cet organe extraordinairement complexe continue de poser de nombreuses questions aux scientifiques. Les résultats de la recherche sur le cerveau ne sont pas seulement importants pour la médecine ; ils ont également un impact sur des domaines sociaux comme l'éducation, la formation et la jurisprudence.

Comment le cerveau est-il structuré ?
Le cerveau humain est l'organe le plus complexe que la nature ait créé. Ses performances sont supérieures à celles des superordinateurs les plus puissants. Le cerveau est organisé en circuits à différents niveaux, allant des processus au niveau d'une seule synapse aux réseaux qui relient des millions de cellules. Le cerveau humain se compose de différentes régions comme l'encéphale, le cervelet ou le tronc cérébral, qui ont des tâches différentes. Mais de nombreuses capacités nécessitent que différentes régions du cerveau travaillent ensemble. Par conséquent, il y a des connexions aussi bien entre des cellules nerveuses voisines qu'entre des cellules situées dans des régions éloignées les unes des autres ©
Cortex
Le cortex cérébral représente la majeure partie du cerveau. Avec ses sillons et ses circonvolutions, il donne au cerveau l'apparence d'une noix. Le cortex cérébral contrôle la perception, la conscience et le comportement. Il nous permet de communiquer, d'effectuer des tâches complexes et de reconnaître et classer des objets.

Lobe frontal
Le lobe frontal est l'ensemble de la partie frontale du cortex. C'est là que le cerveau contrôle le mouvement conscient, notamment la vitesse, la direction et l'exercice de la force. De nombreux scientifiques situent également ici les fonctions mentales supérieures de l'homme et appellent le lobe frontal « la zone de la culture ». La zone la plus avancée du lobe frontal est responsable de l'attention, de la réflexion, de la prise de décision et de la planification et est considérée comme le siège de la personnalité.

Lobe temporal
La fonction la plus connue du lobe temporal est l'audition. Les centres auditifs occupent la quasi-totalité de la surface du lobe temporal. C'est sans doute parce que la parole et la musique exigent une « puissance de calcul » très élevée. Mais le lobe temporal est également nécessaire pour de nombreuses autres choses : sentir, parler, comprendre, reconnaître des images et former la mémoire.

Hippocampe
L'hippocampe est un morceau de cortex « enroulé » qui est au cœur du système limbique. Il est important pour le stockage des connaissances et de l'expérience : sans lui, on ne peut pas se souvenir de quoi que ce soit de nouveau. L'hippocampe est l'une des rares zones du cerveau où de nouveaux neurones sont générés tout au long de la vie.

Système limbique
Le système limbique est un groupe de zones du cerveau qui revêt une grande importance pour le développement et la gestion des émotions et pour les processus de mémorisation. Les éléments les plus importants sont l'hippocampe, l'amygdale (noyau de l'amande), le gyrus cingulaire et le gyrus parahippocampique. Ces zones du cerveau sont étroitement interconnectées. Le système limbique contrôle nos sentiments et notre sexualité et évalue l'importance des informations sur le monde extérieur.

Hypothalamus
L'hypothalamus contrôle des fonctions très importantes comme la reproduction, l'alimentation, la régulation de la température et la mesure du temps. C'est un centre supérieur du système nerveux autonome qui contrôle les processus inconscients, comme la respiration ou le rythme cardiaque. La partie postérieure de l'hypothalamus fait partie du système limbique.

Hypophyse
L'hypophyse (glande pituitaire) n'a que la taille d'un petit pois, mais elle est vitale. Cette « reine des glandes » détermine le système hormonal de l'organisme. Elle est contrôlée par l'hypothalamus et libère des hormones dans le sang. Elle régule ainsi des fonctions corporelles comme la croissance, la reproduction et le métabolisme.

Cervelet
Le cervelet est situé à l'arrière du crâne. Sur le plan du développement, c'est une partie très ancienne du cerveau. Les connexions entre les cellules nerveuses y sont nettement moins complexes que dans le cerveau. Le cervelet coordonne la motricité, c'est-à-dire la posture et la marche, mais aussi les mouvements complexes comme l'écriture. Malgré sa petite taille, le cervelet contient quatre fois plus de cellules que le reste du cerveau.

Tronc cérébral
Le tronc cérébral est directement relié à la moelle épinière et constitue en quelque sorte le « centre technique » du cerveau. Pas plus gros qu'un pouce, le tronc cérébral contrôle et régule les processus inconscients et vitaux du corps comme la circulation, la respiration ou le sommeil. Sur le plan du développement, c'est la partie la plus ancienne du cerveau. À ce niveau, les différences entre les humains et les animaux sont donc relativement faibles.

Tout est dans la communication
Notre cerveau est un réseau complexe composé de plusieurs milliards de cellules nerveuses qui communiquent constamment entre elles. Des connexions entre les cellules nerveuses sont constamment créées ou cassées, renforcées ou affaiblies. C'est également la condition préalable pour que nous puissions apprendre et oublier. Les cellules nerveuses reçoivent des stimuli électriques via les dendrites et les conduisent au corps cellulaire. De là, ils sont envoyés vers d'autres cellules nerveuses en passant par l'axone. La transmission d'une cellule à l'autre se fait au niveau des synapses. Là, l'impulsion électrique est traduite en une impulsion chimique. Il existe dans le cerveau des cellules nerveuses qui reçoivent des signaux de 10 000 autres cellules nerveuses, et celles qui transmettent des signaux à des milliers d'autres.
  Les cellules nerveuses du cerveau sont disposées en couches. Ces couches et leurs nombreuses connexions sont la condition préalable au traitement rapide de l'information.

Les autoroutes de la pensée
L'attribution de certaines fonctions à des régions cérébrales spécifiques n'explique pas les performances complexes du cerveau : l'action, l'émotion et l'attention, par exemple, dépendent les unes des autres. Même les performances cognitives, comme le calcul, ne sont possibles que grâce à l'interconnexion complexe de différentes régions du cerveau. De grands faisceaux de fibres nerveuses parcourent le cerveau, reliant les cellules des différentes régions cérébrales de manière « suprarégionale ». Grâce à l'imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd), les scientifiques ont pu reconstituer ce réseau de zones cérébrales dans le cerveau humain vivant. Cette technique est non invasive, inoffensive et très précise. On mesure le mouvement de diffusion des molécules d'eau dans le tissu. Celles-ci peuvent se déplacer plus rapidement et plus facilement le long des faisceaux de fibres nerveuses qu'en travers de ceux-ci. Les chercheurs ont ensuite traduit les gradients de diffusion mesurés en motifs de couleurs vives.
  © Société Max Planck
L'IRMd permet de visualiser les grands faisceaux de fibres nerveuses dans le cerveau. Les couleurs indiquent l'orientation des fibres.

Un service trois étoiles pour les neurones
Outre les cellules nerveuses, il existe un autre type de cellules dans le cerveau : les cellules gliales. Sans elles, rien ne pourrait fonctionner dans notre tête. Les cellules gliales constituent la structure de base du cerveau et permettent ainsi un traitement rapide des informations. Elles fournissent des nutriments aux cellules nerveuses et éliminent leurs déchets. La couche d'isolation électrique des longues fibres nerveuses est également formée de cellules gliales. C'est la condition préalable à la conduction nerveuse rapide typique des vertébrés. Les scientifiques de l'Institut Max Planck à Göttingen ont étudié l'importance des cellules gliales dans les maladies neurologiques et psychiatriques. La neurobiologiste munichoise Magdalena Götz a découvert qu'au cours du développement du cerveau, les neurones se développent également à partir des cellules gliales. Elle cherche maintenant à savoir si de nouvelles cellules nerveuses peuvent également naître des cellules gliales dans le cerveau développé, par exemple après une lésion cérébrale grave ou une attaque.
  © Institut de sciences cognitives et cérébrales humaines Max Planck, Leipzig / Ralph Schurade, Alfred Anwander / Logiciel de visualisation : Fibernavigator 2
Lorsque le cerveau est blessé, certaines cellules gliales entrent en activité : les microglies (en rouge ici) et les astrocytes (en vert) soutiennent, protègent et nourrissent les cellules nerveuses (en bleu turquoise) afin qu'elles puissent se rétablir.

Le schéma de raccordement du cerveau
L'ensemble des connexions nerveuses d'un être vivant est appelé connectome. Ce terme indique que les cellules nerveuses sont fortement interconnectées et ne peuvent être comprises que dans leur relation les unes avec les autres. Le connectome du cerveau humain est très complexe. Les scientifiques étudient donc les principes de base dans des cerveaux plus simples, par exemple chez la souris. En 2019, les chercheurs de l'Institut de recherche sur le cerveau Max Planck ont ainsi pu visualiser les connexions d'un petit morceau de cerveau de souris avec plus de précision que jamais auparavant : un schéma de raccordement entre environ 7 000 axones, avec plus de deux mètres et demi de « câbles » neuronaux, reliés par pas moins de 400 000 synapses. Pour ce faire, ils ont utilisé un nouveau type de traitement d'image basé sur l'intelligence artificielle (IA). Ils ont aussi pu montrer pour la première fois que la disposition des nouvelles synapses suit des règles fixes.
  Une petite partie du cortex cérébral d'une souris, reconstruite avec un logiciel de traitement d'images basé sur l'IA. Réimprimé avec la permission de A. Motta et al, Science. DOI : 10.1126/science.aay3134
Une petite partie du cortex cérébral d'une souris, reconstruite avec un logiciel de traitement d'images basé sur l'IA.