Neuroscience

En tant que neurosciences (plus rarement au singulier: neurosciences ), on renvoie aux domaines de recherche scientifique dans lesquels la conception et la fonction des systèmes nerveux sont examinées. En raison de la grande variété de méthodes utilisées, la recherche neuroscientifique est menée par des scientifiques de nombreuses disciplines différentes telles que la physiologie , la psychologie , la médecine , la biologie , l' informatique ou les mathématiques . Souvent, il existe également des collaborations avec des domaines scientifiques connexes tels que les technologies de l'information , l'informatique ou la robotique .

Histoire de la recherche sur le cerveau

Les découvertes du début de l'Égypte montrent que les interventions chirurgicales dans le système nerveux central ont été effectuées il y a 5000 ans. Environ 70% des crânes dans lesquels il existe des preuves de telles interventions ont changé biologiquement après l'opération, ce qui indique que le patient a survécu à l'opération pendant des mois ou des années.

Environ 500 avant JC On dit qu'Alkmaion de Croton a été le premier à découvrir les nerfs optiques et autres nerfs sensoriels. Alkmaion a développé l'idée que les nerfs sont creux et renferment un milieu ( kenon ) qui guide l'impression sensorielle vers le cerveau. Hippocrate de Kos a reconnu que le cerveau fonctionne comme le siège de la sensation et de l'intelligence. Vers 129-216 de notre ère, les fonctions de chaque tractus nerveux ont été décrites par Galen .

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Au Moyen Âge, la connaissance de la recherche sur le cerveau en Europe occidentale était en deçà du niveau de l'Antiquité. La recherche dans l'espace européen a été principalement concernée par les études monastiques sur les plantes médicinales.

Les premières sections ont été réalisées à la Renaissance . L'Italien Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679) a remis en question pour la première fois l'existence d'un spiritus animalis gazeux . Au lieu de cela, il soupçonnait l'existence d'un liquide, le succus nerveux , qui était pressé dans les extrémités par les nerfs creux et devait donc induire les actions selon les principes pneumatiques.

Le fait que les impulsions électriques circulent via les nerfs a été décrit pour la première fois au 18ème siècle. Une deuxième découverte importante du 18ème siècle était que le cortex cérébral est fonctionnellement structuré. La recherche sur l'anatomie cérébrale a également progressé rapidement à partir du 19e siècle. Dans ce 21e siècle encore jeune, les neurosciences se développent principalement sur le plan méthodologique.

Domaine de recherche

Le domaine de la recherche en neurosciences est le rôle des systèmes nerveux de toutes sortes dans l'exécution globale des processus vitaux des organismes biologiques.

En particulier, les neurosciences concernent l'analyse de la structure et du fonctionnement des unités centrales de tous les systèmes nerveux, les neurones et autres types de cellules comme les cellules gliales en particulier . Les particularités et les effets de la mise en réseau de ces cellules pour former des réseaux neuronaux dans des systèmes nerveux complexes sont examinés. Des exemples sont le système nerveux diffus des cœlentérés , le cordon nerveux ventral des arthropodes et le système nerveux central des vertébrés .

Les domaines de recherche en neurosciences qui concernent principalement l'étude de la structure et des performances du cerveau des primates (c'est-à-dire les humains et les singes ) sont souvent appelés dans le langage courant recherche sur le cerveau ou le cerveau .

En plus de la recherche expérimentale fondamentale , des recherches sont également menées d'un point de vue médical sur les causes et les remèdes possibles des maladies nerveuses telles que la maladie de Parkinson , la maladie d'Alzheimer ou la démence . En outre, les neurosciences étudient le traitement de l'information cognitive (processus neuronaux dans la perception , traditionnellement appelés phénomènes « mentaux ») ainsi que le développement et le cours de réactions émotionnelles ou de grands phénomènes tels que la conscience et la mémoire .

Au cours des dernières décennies, de nombreuses collaborations, en partie ancrées institutionnellement, entre neuroscientifiques et chercheurs d'autres disciplines ont donc vu le jour, les relations les plus étroites étant avec des représentants des sciences cognitives , de la psychologie et de la philosophie de l'esprit .

Disciplines

Neuromarketing : Un message publicitaire stimule l' hypothalamus

Les neurosciences évitent d'essayer de les subdiviser brusquement en sous-zones selon divers critères. Il est vrai que les disciplines pourraient dans un premier temps être classées selon les niveaux de hiérarchie microscopique et macroscopique considérés (molécules, cellules, structure cellulaire, réseau, comportement ), mais les neurosciences tendent vers une perspective plus fonctionnelle. En d'autres termes, le rôle fonctionnel d'un élément microscopique pour un système (macroscopique) est principalement examiné à un ou plusieurs niveaux ci-dessus.

Voici une possible classification approximative des neurosciences, selon les niveaux, en quatre disciplines différentes:

Neuroscience cognitive
Neuropsychoanalyse
  • Sujets clinico-médicaux

La neurobiologie traite principalement de la base biologique moléculaire et cellulaire de la neuroscience. Les autres disciplines qui travaillent à ce niveau sont les branches neuroscientifiques de la biochimie , de la biologie moléculaire , de la génétique et de l' épigénétique , mais aussi la biologie cellulaire , l' histologie et l' anatomie et la biologie du développement . La neurobiologie végétale - controversée - traite de l'expansion des connaissances neuroscientifiques de la zoologie aux plantes .

La neurophysiologie est au centre des neurosciences . Bien que la physiologie soit normalement une sous-discipline de la biologie, elle a un rôle spécial dans les neurosciences en ce que l'activité neuronale et donc le «langage des nerfs» relève du domaine de la neurophysiologie. La neurophysiologie peut être subdivisée en électrophysiologie et physiologie sensorielle , mais elle est également étroitement liée à la neuropharmacologie , à la neuroendocrinologie et à la toxicologie .

La neuroscience cognitive occupe une place centrale à un niveau supérieur. Il traite des mécanismes neuronaux qui sous-tendent les fonctions cognitives et psychologiques. Elle s'intéresse donc principalement à une meilleure performance du cerveau ainsi qu'à ses déficits.

En 2000, des neuroscientifiques renommés ont donné une plate-forme à une collaboration internationale avec la psychanalyse en fondant une société spécialisée distincte, qu'ils ont appelée The Neuropsychoanalysis Association .

Les sujets clinico-médicaux traitent de la pathogenèse , du diagnostic et de la thérapie des maladies du cerveau et comprennent la neurologie , la neuropathologie , la neuroradiologie et la neurochirurgie ainsi que la psychiatrie biologique et la neuropsychologie clinique .

Méthodes

Les méthodes de neurosciences diffèrent initialement dans leur applicabilité aux humains. Pour étudier le système nerveux humain, on utilise principalement des méthodes non invasives , c'est-à-dire des méthodes qui n'endommagent pas le système. Dans des cas exceptionnels et dans les expérimentations animales, des procédures invasives sont également utilisées. Un cas exceptionnel est, par exemple, les études de lésions, qui fournissent des informations sur la localisation des fonctions grâce à une comparaison systématique des cerveaux endommagés. Cependant, les dommages ne sont pas effectués de manière ciblée, mais les patients souffrant de lésions cérébrales ou d'accidents vasculaires cérébraux constituent la base de l'étude.Les méthodes neuroscientifiques les plus importantes sont énumérées ci-dessous.

  • La psychophysique s'intéresse exclusivement aux capacités de mesure du cerveau en tant que complexe au sein de l'organisme. Il fournit des indices sur l'éventail des possibilités d'un être vivant. La psychophysique est souvent associée à l' anatomie lors de la réalisation d' études sur les lésions. Les patients présentant des lésions cérébrales, par ex. B. après un AVC sont comparés à des personnes en bonne santé. La comparaison des possibilités (psychophysiques) de deux systèmes neuronaux avec un cerveau intact ou endommagé permet d'évaluer le rôle de la zone cérébrale endommagée pour les capacités et les capacités. Cependant, les études sur les lésions présentent l'inconvénient que l'emplacement du dommage ne peut être déterminé qu'après le décès du patient. Ils étaient donc très fastidieux, mais ils ont longtemps constitué la base de toutes les études neuroscientifiques et limité la vitesse à laquelle les connaissances neuroscientifiques étaient acquises. Dans leur méthodologie, l'activité des cellules nerveuses ne joue pas de rôle direct, car le centre de l'étude n'est pas la cellule nerveuse mais l'ensemble du système de l'être vivant.
  • Avec le développement d'appareils qui fournissent des informations directes ou indirectes sur l'activité cérébrale, la nature des études a également changé. Le développement de l' électroencéphalographie (EEG) permet d'observer indirectement le travail cérébral. L'activité des cellules nerveuses crée un champ électrique qui peut être mesuré à l'extérieur du crâne. Comme un champ magnétique se propage également orthogonalement à chaque champ électrique, cela peut également être mesuré; cette méthode est connue sous le nom de magnétoencéphalographie (MEG). Les deux méthodes ont en commun de permettre de mesurer l'activité de grands amas cellulaires à haute résolution temporelle et ainsi d'obtenir des informations sur la séquence des étapes de traitement. La résolution spatiale est modérée, mais elle permet aux chercheurs d'acquérir des connaissances sur l'emplacement et le moment des étapes du processus neuronal chez les personnes vivantes.
  • Au moyen de la tomographie par ordinateur (CT), il est devenu possible de déterminer l'emplacement et l'étendue d'une lésion également chez des patients vivants. Cela a rendu les études des lésions plus rapides et plus précises, car le cerveau peut être scanné immédiatement après le dommage et l'anatomie du dommage peut déjà fournir des informations sur d'éventuels déficits (cognitifs), qui peuvent ensuite être étudiés de manière ciblée. Un autre effet secondaire est le fait que le cerveau se déforme des dommages à la mort du patient, ce qui rend difficile la détermination de l'anatomie exacte des dommages. Cette déformation ne joue pas de rôle en TDM dans la mesure où le temps entre la lésion et la tomographie est généralement court. Cela s'applique également à l'imagerie par résonance magnétique (MRT / IRM, également appelée imagerie par résonance magnétique). Les deux méthodes ont une résolution spatiale bonne à très bonne, mais ne permettent pas de tirer des conclusions sur l'activité des cellules nerveuses. Ils représentent la suite des études sur les lésions.
  • Les études fonctionnelles, c'est-à-dire les études qui examinent la fonction de certaines zones cérébrales, ne sont devenues possibles que lorsque des méthodes d'imagerie ont été développées dont la force du signal mesuré change en fonction de l'activité des zones cérébrales. Ces méthodes comprennent la tomographie par émission de positons (TEP), la tomographie par émission de photons uniques (SPECT) et la tomographie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf / IRMf). Ils génèrent tous un signal avec une résolution spatiale moyenne à bonne, mais présentent l'inconvénient d'être pratiquement aveugles à la séquence temporelle des processus neuronaux (de l'ordre de la milliseconde). Une méthode relativement nouvelle est la spectroscopie proche infrarouge non invasive , qui a une bonne résolution temporelle, mais ne peut imager que de petites zones du cerveau. Contrairement à d'autres méthodes fonctionnelles, cependant, il peut être utilisé comme un mobile EEG et dans un environnement naturel.
  • Dans les systèmes de modèles animaux ou dans les études cliniques, des méthodes invasives sont également utilisées qui modifient spécifiquement les propriétés du système nerveux ou provoquent des dommages ou des blessures par mesure. Au niveau mondial, les agents pharmacologiques modifient notamment les propriétés des neurones ou d'autres mécanismes pertinents pour l'activité neuronale, la plasticité ou le développement. Lors d'une intervention pharmacologique , selon la substance, une zone cérébrale peut être influencée ou complètement détruite, ou seul un canal ou un type de récepteur très spécifique de la membrane cellulaire neuronale peut être influencé dans l'ensemble du cerveau. L'intervention pharmacologique est donc une méthode fonctionnelle à la fois globale et spécifique. La psychophysique, l'électrophysiologie ou l' histologie (post mortem) sont généralement utilisées pour mesurer les effets de l'intervention .
  • La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) permet de court-circuiter les zones du cerveau. Bien qu'il soit invasif, il est également utilisé chez l'homme car il ne devrait pas causer de dommages permanents. Au moyen d'un champ magnétique puissant, l'électricité est induite sans douleur dans des zones entières du cerveau, dont l'activité n'a rien à voir avec la tâche normale des zones. On parle donc parfois de lésion temporaire . La durée de la lésion est généralement de l'ordre de la milliseconde et permet donc de mieux comprendre la séquence des processus neuronaux. Avec la stimulation magnétique transcrânienne répétitive (rTMS), d'autre part, les zones du cerveau sont désactivées pendant des minutes par stimulation répétée en utilisant un mécanisme de protection du cerveau. La stimulation simultanée répétée de zones cérébrales entières amène le cerveau à croire qu'une crise d'épilepsie est imminente. En contre-réaction, l'activité de la zone cérébrale stimulée est supprimée afin d'empêcher l'excitation de se propager. La lésion temporaire ainsi créée persiste maintenant pendant quelques minutes. La résolution spatiale est modérée, la résolution temporelle très bonne pour TMS et mauvaise pour rTMS.
  • Au moyen de la stimulation électrique des zones corticales, comme avec la TMS, le traitement de l'influx nerveux dans certaines zones du cerveau peut être brièvement influencé ou complètement désactivé. Contrairement au TMS, cependant, le crâne est ouvert à cette fin (car des courants beaucoup plus forts et douloureux doivent être appliqués de l'extérieur du crâne) et une électrode est implantée dans une zone cérébrale d'intérêt. Cela permet une détermination spatiale beaucoup plus précise des zones touchées. La stimulation électrique est principalement utilisée en neurochirurgie pour déterminer les centres du langage qui ne doivent pas être endommagés lors des opérations, mais aussi dans des modèles animaux afin de pouvoir influencer l'activité neuronale à court terme.
  • L'électrophysiologie fonctionne dans la direction opposée, qui au lieu d'induire des courants dans le cerveau, mesure les signaux électriques des cellules individuelles ou des groupes de cellules. Une distinction est faite ici entre les expériences in vivo et in vitro . Dans les expériences in vivo , les électrodes sont placées dans le cerveau d'un animal vivant, soit en les implantant de façon permanente (implant chronique) ou seulement temporairement dans des zones du cerveau d'intérêt (expérience aiguë). Les implants chroniques permettent d'étudier l'activité cérébrale chez un animal qui se comporte normalement. Les expériences in vitro étudient l'activité électrique des cellules et ne sont pas réalisées sur des animaux vivants, mais uniquement sur des tissus cérébraux. L'activité du tissu ne correspond pas au comportement normal de l'animal, mais des techniques comme la technique du patch-clamp permettent de tirer des conclusions beaucoup plus précises sur les propriétés des neurones dans une zone cérébrale, puisqu'elles peuvent être étudiées systématiquement .
  • La microscopie a toujours été importante pour étudier la structure morphologique du tissu cérébral . Des techniques plus récentes, en particulier la microscopie multiphotonique et la microscopie confocale, permettent une résolution spatiale inimaginable auparavant. Les neurones individuels peuvent être mesurés en 3D et les changements morphologiques peuvent être étudiés en détail. Des études fonctionnelles peuvent également être effectuées lors de l'utilisation de colorants sensibles aux ions ou sensibles à la tension .
  • La neuroscience théorique tente de comprendre les principes et les mécanismes qui sous-tendent le développement, l'organisation, le traitement de l'information et les capacités mentales du système nerveux à l'aide de modèles mathématiques. Avec la théorie des systèmes dynamiques , des approches de la physique et des mathématiques sont utilisées. De nombreux problèmes ne peuvent être résolus analytiquement et doivent donc être simulés numériquement. Le domaine des neurosciences computationnelles peut être compris comme une branche de recherche au sein des neurosciences théoriques dans laquelle des ordinateurs sont utilisés pour simuler des modèles. Comme c'est généralement le cas, les termes «neuroscience théorique» et «neuroscience computationnelle» sont souvent utilisés comme synonymes.
  • Les techniques de la génétique offrent d'autres domaines de la neuroscience au niveau cellulaire . Avec leur aide, des gènes très spécifiques peuvent être supprimés (par exemple, souris knockout ), modifiés ou mis en œuvre ( par exemple, système Gal4 / UAS ) chez les animaux de laboratoire afin d'observer leur signification pour le système nerveux. Pratiquement toutes les méthodes énumérées ci-dessus peuvent être utilisées sur de tels mutants ou transformants. Une spécialité est l' optogénétique , dans laquelle les cellules génétiquement modifiées peuvent être activées ou inhibées par irradiation avec la lumière. De plus, il permet d'observer l'activité de populations entières de certains types cellulaires au microscope optique.

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Rapports de diffusion

liens web

Wiktionnaire: Neuroscience  - explications des significations, origines des mots, synonymes, traductions

Preuve individuelle

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