Une plongée vertigineuse dans la diversité du monde vivant

L’ensemble des liens de parenté entre espèces forme ce que l’on appelle l’« arbre de la vie. » En raison du nombre considérable d’espèces connues – plusieurs millions –, la représentation de cet arbre constitue un véritable défi. Damien de Vienne, au Laboratoire de Biométrie évolutive de Lyon, propose un outil interactif et intuitif, Lifemap, qui permet de se « promener » dans l’arbre de la vie, et d'en visualiser les niveaux hiérarchiques et les relations entre espèces. Cette étude a été publiée le 22 décembre 2016 dans la revue PLoS Biology.
 
L’évolution des espèces depuis plus de 3.5 milliards d’années a conduit à la biodiversité que nous connaissons aujourd’hui. Cette « histoire évolutive » peut être représentée sous forme d’un arbre, nommé « arbre de la vie » (Tree of Life en anglais), où chaque feuille représente une espèce et chaque nœud un ancêtre, à la manière des arbres généalogiques.
De nombreuses recherches sont menées pour tenter de reconstruire cet arbre, grâce notamment aux techniques toujours plus efficaces de séquençage des génomes et d’analyses bioinformatiques. Mais il n’existe aujourd’hui aucune méthode satisfaisante pour visualiser cet arbre dans sa globalité, de façon interactive et intuitive.
La très grande quantité d’information à représenter (plus de 2 millions d’espèces actuellement !) et la nature hiérarchique de l’organisation des espèces évoquent les données cartographiques : de même qu’une rue fait partie d’une ville, qui fait partie d’un département, qui fait partie d’une région, qui fait partie d’un pays, une espèce fait partie d’un genre, d’une famille, d’un ordre, d’une classe, d’un règne et d’un domaine. Partant de ce constat, Damien de Vienne a développé Lifemap, un outil web d’exploration de l’arbre de la vie qui permet de s’y déplacer comme on le fait sur une carte routière avec OpenStreetMap ou Google Maps®.

Deux caractéristiques majeures permettent à Lifemap de proposer, pour la première fois, une exploration aisée de l’intégralité de l’arbre de la vie. En premier lieu, Lifemap repose sur une nouvelle façon de visualiser des données hiérarchiques : chaque groupe d’espèces (ou clade) est représenté par un demi cercle, contenu dans un demi-cercle plus grand représentant le clade de niveau hiérarchique supérieur. Cette représentation permet d’une part de s’assurer que les branches de l’arbre ne se croisent jamais, d’autre part de respecter la structure particulière de l’arbre de la vie où le nombre de clades contenus dans un clade de niveau hiérarchique supérieur est variable. En second lieu, Lifemap détourne des outils développés dans le cadre du projet OpenStreetMap et utilise une astuce qui fait la puissance des outils de cartographie actuels : le système de tuiles. L’image vue à l’écran est une mosaïque de plus petites images (les tuiles) qui sont stockées sur un serveur informatique distant.

Lifemap existe sous plusieurs versions, selon le public visé et les données représentées (plusieurs classifications existent). Une version en particulier est à destination du grand public. Elle ne comprend « que » 800 000 espèces, et propose des informations relatives à chaque nœud et à chaque feuille de l’arbre, auxquelles on accède par un clic. Ces informations (images, descriptions) sont directement issues des pages Wikipédia correspondantes, si elles existent. Par ailleurs il est possible de rechercher et de visualiser des « chemins » dans l’arbre, pour identifier l’ancêtre commun le plus récent de deux espèces particulières ou pour suivre le trajet reliant une espèce donnée au dernier ancêtre universel (LUCA).
Lifemap, est un outil qui devrait être important, non seulement pour les chercheurs travaillant dans le domaine de l’Évolution, en facilitant l’observation de l’arbre de la vie et l’accès depuis Lifemap aux bases de données spécialisées dédiées, mais aussi à un public plus large, comprenant les étudiants et enseignants du secondaire et du supérieur, voire le grand public intéressé par l’Évolution. Une application pour téléphones et tablettes (Android), Lifemap – Tree of Life, est spécifiquement destinée à cette dernière catégorie.
 
En savoir plus
* Lifemap: Exploring the Entire Tree of Life. 
de Vienne DM.
PLoS Biol. 2016 Dec 22;14(12):e2001624. doi: 10.1371/journal.pbio.2001624.
 

 Contact chercheur
* Damien de Vienne
Laboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive (LBBE)
UMR CNRS 5558 - Université Claude Bernard Lyon 1
Bâtiment Mendel
43 boulevard du 11 Novembre 1918
69622 VILLEURBANNE CEDEX
* Tél : 04 72 43 29 09

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acide désoxyribonucléique (ADN)

A.D.N.

Pour avoir une vue d'ensemble sur la vie, consultez en priorité les articles suivants du dossier en cliquant sur celui de votre choix :
*         vie
*         acide désoxyribonucléique (ADN)
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*         gène
*         génome
*         hérédité
*         méiose
*         mitose
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Acide nucléique caractéristique des chromosomes, constitué de deux brins enroulés en double hélice et formés chacun d'une succession de nucléotides. (Porteur de l'information génétique, l'ADN assure le contrôle de l'activité des cellules.) (Abréviations : ADN ou DNA [terminologie anglo-saxonne].)
Constituant essentiel des chromosomes, présent aussi dans les mitochondries et les plastes, l'ADN est le support de l'information héréditaire.

La structure de la molécule d’ADN

La macromolécule d'ADN est constituée de deux chaînes polynucléotidiques enroulées l'une autour de l'autre en forme de double hélice (l’article exposant cette particularité structurale a été publié en 1953 par James D. Watson et Francis H. Crick dans la revue Nature).
Les chaînes sont constituées de maillons, ou nucléotides, comportant chacun un sucre à cinq atomes de carbone (le désoxyribose), une base organique et une molécule d'acide phosphorique. Il existe quatre bases organiques différentes (adénine, thymine, guanine et cytosine, désignées par leur initiale : ATCG) qui s'associent deux à deux selon un ordre rigoureusement invariable (la thymine avec l'adénine, la guanine avec la cytosine), liant ainsi les deux chaînes complémentaires par une liaison chimique lâche : un pont d'atomes d'hydrogène. Une telle structure assure la cohésion de la double hélice, mais ménage la possibilité de séparation des deux chaînes au moment de la division cellulaire (ou mitose).

L'expression génétique
Le bon fonctionnement d'une cellule repose sur deux classes de macromolécules : les acides nucléiques (l'ADN, dépositaire de l'information génétique, et les ARN, impliqués dans la traduction de cette information) et les protéines (produits de la traduction de l'information). Les protéines présentent des activités variées : catalyse (enzymes), stockage de molécules (protéines de liaison), transport actif ou passif à travers les membranes (transporteurs, canaux), communications cellulaires (hormones peptidiques, récepteurs), architecture et mouvement (protéines du cytosquelette), reconnaissance du non-soi (anticorps)…
La relation universelle entre ces macromolécules s'exprime ainsi : toute protéine est codée par un gène, segment d'ADN constituant une unité fonctionnelle. Le nombre de gènes varie selon les organismes (de l'ordre de 2 500 chez les bactéries, de 30 000 chez l’espèce humaine). L'expression d'un gène aboutit à la synthèse d'une protéine spécifique. Chez les organismes pluricellulaires, toutes les cellules disposent du même stock de gènes, hérité d'une cellule initiale unique (l'œuf issu de la fécondation), et pourtant elles ne sont pas toutes identiques, parce qu'elles sont capables de synthétiser plus ou moins – voire pas du tout – les différentes protéines codées dans le génome, en fonction de leur type cellulaire et du stade de développement de l'organisme. Ainsi, l'hémoglobine est produite dans les précurseurs des globules rouges, les anticorps dans les lymphocytes B, l'actine et la myosine dans les cellules du muscle, la kératine dans celles de l'épiderme.
Par ailleurs certaines protéines sont fabriquées uniquement au stade embryonnaire, les phénomènes de développement et de différenciation reposant sur l'expression différentielle d'un matériel génétique commun. De même, chez les organismes adultes, le cycle cellulaire fait appel au contrôle de l'expression des gènes. De nombreuses maladies, dont les cancers, les infections virales, les désordres immunitaires et les réactions allergiques, ainsi que les malformations au cours du développement embryonnaire, découlent de la production excessive ou insuffisante de certaines protéines.
Le contrôle de l'expression génétique est effectué au niveau de la transcription de l'ADN par une famille de protéines, les régulateurs de transcription; ceux-ci sont codés par les gènes régulateurs, qui pourraient représenter de 5 à 10 % du nombre total de gènes chez les eucaryotes supérieurs. Il apparaît que de nombreux désordres génétiques proviennent de mutations affectant les gènes régulateurs.
Le code génétique
À l’intérieur des gènes, les bases sont organisées en triplets appelés codons. La séquence des codons dans l'ADN détermine celle des acides aminés qui constituent les protéines, conférant à chaque protéine sa spécificité. Le code génétique est le code de lecture, linéaire et séquentiel, des codons de l’ADN.

Il existe 20 acides aminés naturels, qui se rencontrent chez tous les êtres vivants, de la bactérie à l'homme. Chaque protéine n'est pas synthétisée directement à partir de l'image de la séquence des nucléotides de l'ADN, mais grâce à un intermédiaire : l'ARN messager, dont la structure est complémentaire de celle de l'ADN, à cette différence que la thymine (T) y est remplacée par l'uracile (U) – les quatre bases de l’ARN sont donc AUGC. Le processus de synthèse de l'ARN messager, à partir de l'ADN chromosomique, est appelé transcription.

Grâce à la spécificité d'appariement entre les bases, l'information contenue dans l'ADN se transmet sans aucun changement à l'ARN. Cette information se trouve dans la séquence des nucléotides, qui détermine celle des acides aminés. À chaque acide aminé de la chaîne protéique correspond une succession de trois nucléotides de la chaîne, conformément à une relation appelée code génétique. Compte tenu que chaque série de trois nucléotides constitue un codon et que quatre nucléotides en s'unissant par trois donnent 64 combinaisons possibles, dans l'hypothèse retenue il y aurait 44 combinaisons « en trop », 44 types de triplets qui ne correspondraient à aucun acide aminé, puisque 20 acides aminés seulement doivent être synthétisés. En réalité on sait maintenant que tous les triplets sont utilisés : certains d'entre eux correspondent à des signes de ponctuation dans la synthèse d'une chaîne polypeptidique, et par ailleurs le code est en quelque sorte « dégénéré », c'est-à-dire que certains acides aminés peuvent être codés par plusieurs triplets différents.
Le déchiffrement du code génétique, c'est-à-dire l'assignation de l'acide aminé correspondant à chacun des codons, fut réalisé en 1965, grâce aux travaux de M. W. Nirenberg et de H. Matthaei et à ceux de H. G. Khorana.
La réplication de l’ADN
La réplication de l’ADN, qui précède toute mitose (division cellulaire), ainsi que la première division de la méiose, permet une duplication de l'information génétique, afin que celle-ci puisse être transmise dans son intégralité aux cellules filles. La réplication de l'ADN commence par l’ouverture partielle de la molécule et la séparation des deux brins, et aboutit à la formation de deux longues molécules d’ADN en tous points semblables. Elle s'effectue selon un modèle dit semi-conservatif, dans lequel chaque brin de la double hélice engendre un brin complémentaire puis s'y associe.
La réplication est un phénomène biochimique très complexe nécessitant la participation de nombreuses enzymes dont le rôle est de dérouler le filament d'ADN, de séparer les deux brins, de synthétiser les brins complémentaires et, enfin, de reconstituer la structure native des brins fils.

Les problèmes topologiques du brin d'ADN
À l'état natif, sous sa forme spontanée au sein de la cellule, l'ADN n'est pas un simple filament. Il est enroulé autour de différentes protéines, et cette structure est elle-même organisée de façon plus complexe en solénoïde ou en superboules. Cet ADN linéaire est donc soumis à des contraintes et à des torsions importantes.
Comme les deux brins qui le constituent doivent être séparés au début de la réplication, l'ADN natif doit d'abord être libéré de ses contraintes et déroulé. Ces changements de conformation sont assurés par des enzymes, les topo-isomérases appelées également déroulases ou relaxases. Les topo-isomérases de type I agissent en coupant l'un des brins de la double hélice pour qu'il se déroule librement.
Cette réaction chimique ne nécessite pas d'énergie (sous forme d'ATP). Les topo-isomérases de type II, ou gyrases, coupent les deux brins de l'ADN. Leur action est inverse des premières, puisqu'elles réalisent des torsions de l'ADN pour relier ensuite les extrémités des brins libérés. Elles permettent de retirer d'éventuels nœuds formés au cours des différentes opérations réalisées sur la double hélice.

Le réplicon
En 1958, Matthew S. Meselson et Franklin W. Stahl réalisèrent une expérience qui confirma la structure en double hélice de l'ADN décrite par Watson et Crick en 1953 et qui, en même temps, révéla quelques propriétés fondamentales de la réplication. Ils ont, dans un premier temps, laissé une bactérie, Escherichia coli, se multiplier sur un milieu contenant l'isotope 15N de l'azote. La culture bactérienne est ensuite transférée sur un milieu contenant un autre isotope lourd, le 14N. Au cours de ces deux étapes, l'azote métabolisé est normalement entré comme constituant des bases de l'ADN. Après un temps de culture permettant l'apparition d'une nouvelle génération de bactéries, les ADN bactériens sont extraits et analysés.

On constate alors qu'il existe deux types d'ADN, caractérisés par une densité différente. Le plus lourd ne comporte que de l'isotope 15 et provient des bactéries qui se sont développées pendant la première culture. L'autre type d'ADN est issu de bactéries de première génération après changement de milieu; il est composé d'un brin à base d'azote 15 et d'un brin à base d'azote 14. Ainsi, le brin contenant l'azote 15 a servi de matrice à son complémentaire formé, lui, avec de l'azote 14, seul disponible dans le second milieu de culture. Le processus semi-conservatif de la réplication était démontré.
En 1963, les études en microscopie électronique de John Cairns sur le chromosome circulaire bactérien ont montré que la réplication débute en un point unique du chromosome. D'autres études ont ensuite montré qu'elle s'effectuait dans les deux sens à partir du point d'initiation. On doit à Huberman et Riggs d'avoir, en 1968, démonté ce mécanisme pour les chromosomes humains ; mais, chez les eucaryotes, l'opération est un peu plus complexe du fait de la longueur des chromosomes. Des examens autoradiographiques ont permis de préciser que les points d'initiation étaient multiples et autorisaient une réplication suffisamment rapide de l'ADN.
Chaque unité de réplication est appelée réplicon, et sa longueur moyenne est d'environ 20 000 à 500 000 paires de bases, soit 3 à 150 mm Si l'on considère qu'un chromosome humain a une longueur moyenne – déroulé – de 51 mm, et que la vitesse de réplication est de l'ordre de 1mm/min, l'opération complète dure moins d'une heure. Tous les réplicons du génome ne sont cependant pas initiés en même temps : on remarque, de façon constante sur les chromosomes, des zones de réplication précoces et d'autres tardives.
Le mécanisme de la réplication
Le détail de ces mécanismes a pu être connu, chez les procaryotes (bactéries) par l'étude d'un grand nombre de mutants. Dans un premier temps, les deux brins de la double hélice sont séparés localement l'un de l'autre par des enzymes appelées hélicases. Elles se fixent sur l'un des brins, le coupent et le déroulent. Les brins séparés d'ADN sont ensuite stabilisés dans cette conformation par la fixation de protéines particulières, les protéines SSB (Single Stand Binding), et rapidement tout l'ADN simple brin est recouvert par ces tétramères.

La réplication proprement dite commence par la synthèse d'un acide ribonucléique (ARN) réalisée par un complexe enzymatique appelé primosome. Celui-ci est constitué de différentes molécules, dont des protéines qui assurent la reconnaissance du site où la synthèse doit être initiée. Ensuite, l'ADN polymérase III synthétise le brin d'ADN complémentaire à partir de l'amorce d'ARN en utilisant l'un des deux brins d'ADN libre comme matrice. Les protéines SSB sont chassées au fur et à mesure de la progression de la synthèse. Deux molécules d'ADN polymérase III, enzyme complexe composée de sept sous-unités, sont associées au niveau du point de réplication permettant ainsi la duplication simultanée des deux brins de l'ADN. Les brins complémentaires sont synthétisés de façon discontinue sous la forme de petits éléments, appelés fragments d'Okasaki. À la fin de la réplication du réplicon, les amorces d'ARN sont détruites par une ARNase (une enzyme), et les lacunes ainsi formées sont comblées par la synthèse de fragments d'ADN, grâce à l'action de l'ADN polymérase I. Enfin, une enzyme ligase effectue les liaisons entre les différents fragments d'Okasaki.
Le mécanisme de la réplication est moins bien connu chez les eucaryotes. Les résultats montrent toutefois que celui-ci est relativement proche de celui observé chez les procaryotes. Les différences connues portent essentiellement sur les polymérases. L'ADN polymérase α est la principale enzyme de réplication chez les eucaryotes. Mais on connaît également des polymérases β et δ impliquées au niveau du site de réplication, ainsi qu'une polymérase γ à localisation mitochondriale.

L'intégrité de l'ADN
L'ADN est une matrice sur laquelle toutes les cellules prélèvent le plan de fabrication des différentes enzymes dont elles ont besoin pour fonctionner normalement. Il est donc indispensable pour leur survie que les informations contenue dans la double hélice soient fiables. Or de nombreuses substances ou événements sont susceptibles d'altérer sa structure. Généralement, ce phénomène est appelé mutation.
Pour pallier cet inconvénient, il existe normalement dans toute cellule des systèmes enzymatiques capables de détecter ces altérations et de les réparer. Leur principe est relativement simple. Le fragment anormal est excisé par des nucléases qui dégradent l'ADN, puis une ADN polymérase resynthétise le fragment correct. Enfin, une ligase assure la fixation covalente du brin néoformé.

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Aux frontières du cerveau
A propos
Construire un terrain de partage et de discussion autour des secrets de l’organe le plus complexe et mystérieux du vivant : tel est le but de ce blog dédié au cerveau. Des chercheurs en neurosciences y décryptent les avancées les plus importantes et prodigieuses, et vous emmènent à la découverte du système nerveux, de ses fonctions et de ses mystères. Lire ici l'éditorial du blog.
 
Contact : Giuseppe Gangarossa, giuseppe.gangarossa@univ-paris-diderot.fr
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Twitter : @PeppeGanga
Les auteurs du blog

Giuseppe Gangarossa et de nombreux chercheurs en neurosciences
Maître de conférences à l’université Paris Diderot et membre de l'Unité de biologie fonctionnelle et adaptative, Giuseppe Gangarossa anime ce blog qui fédère des spécialistes de tous les horizons des neurosciences.

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A la une
Et si le sommeil nous aidait à faire le tri dans nos souvenirs ?
15.03.2017, par Alexandra Gros, chercheuse post-doctorante à l’université d’Edimbourg

La mémoire est une fonction fondamentale pour la construction de l’histoire personnelle d’un individu. Elle nous permet d’acquérir mais aussi d’utiliser de façon efficace les informations apprises pour adapter notre comportement face aux situations de la vie courante. Pour cela, les informations apprises ont besoin d’être enregistrées puis stockées au sein des structures de notre cerveau pour ensuite être réutilisées. De nombreuses études montrent que, pour bien se souvenir, une bonne nuit de sommeil est bénéfique. En effet, une privation de sommeil peut entrainer des troubles attentionnels, de mémoire et d’apprentissage. Le sommeil est donc essentiel à l’apprentissage et à la consolidation des souvenirs. Bien que la forme prise par les souvenirs dans le cerveau reste méconnue, nous savons qu’ils impliquent des connexions entre les neurones d’un même réseau. Pour autant, la façon dont le sommeil favorise leur consolidation reste encore floue.

Afin de ne pas être submergé par la masse d’informations apprise chaque jour, notre cerveau doit faire le tri en permanence entre celles à conserver et celles à négliger. Le sommeil apparait comme un moteur essentiel dans ce choix ! Deux études récentes publiées dans la revue Science mettent en évidence ce rôle du sommeil dans le tri des souvenirs. Ces articles se sont focalisés sur l’analyse de l’évolution des connexions synaptiques lors des phases d’éveil et de sommeil. Les synapses sont des zones de contact fonctionnelles entre les neurones permettant une communication efficace entre eux. Lors d’un apprentissage s’opèrent des modifications des connexions synaptiques entre les neurones, en termes de nombre et de taille des synapses et de force de la transmission synaptique via notamment la mise en place de nouveaux récepteurs au glutamate permettant une transmission plus rapide et efficace des signaux neuronaux. Ces modifications conduisent ainsi au renforcement des synapses, notamment lors des phases de sommeil qui suivent l’apprentissage. Mais est-ce le cas pour toutes les synapses ? L’hypothèse de l’homéostasie synaptique propose que le sommeil permette à notre cerveau de réduire une partie des connexions synaptiques mises en place durant l’éveil (en termes de nombre, de taille et de force) afin de rendre nos souvenirs plus clairs. Bien qu’elle ne soit pas nouvelle, cette hypothèse n’avait jamais été mise en évidence.

Grâce à diverses approches méthodologiques (biochimie, protéomique, microscopie électronique et imagerie 2-photons in vivo), les deux équipes de recherche ont analysé les changements qui s’opèrent au niveau des synapses à travers les cycles éveil/sommeil. En utilisant la microscopie électronique en 3D, l’équipe du Prof. Chiara Cirelli de l’Université du Wisconsin a analysé la taille et la forme de quelques 7000 synapses (Figure 1A) chez des souris dans différentes conditions : sommeil, éveil ou souris gardées éveillées. Les chercheurs montrent que les souris qui dormaient possèdent, au niveau des cortex moteur et sensoriel, des synapses 18% plus petites que celles des souris éveillées, indiquant un affaiblissement des synapses durant les phases de sommeil.


Figure 1 : Exemples d’épines dendritiques A. Analyse des synapses par microscopie électronique, permettant de visualiser les différents éléments de la synapse avec une grande précision à l’échelle moléculaire. Sur cette photo, on visualise l’axone (vert), l’épine dendritique (jaune), ainsi que la zone de contact entre ces deux éléments (rouge). B. Analyse des épines dendritiques par fluorescence grâce à la microscopie 2-photons. La portion de dendrite analysée (violet) présente deux épines dendritiques (renflements) dans lesquelles sont exprimées des récepteurs glutamatergiques (vert). Cette photo est prise durant la phase d’éveil. C. Même portion de dendrite durant la phase de sommeil. L’épine dendritique apparait plus petite et l’expression des récepteurs glutamatergiques est moins intense. Modifiée avec la permission de American Association for the Advancement of Science: Science (Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep. (2017) Diering GH. et al. – Ultrastructure evidence for synaptic scaling across the wake/sleep cycle. (2017) de Vivo, L. et al.), copyright © 2017
L’équipe du Prof. Richard L. Huganir de l’Université John Hopkins a utilisé une autre méthode. Elle a marqué certaines protéines présentes au niveau des synapses avec un marqueur fluorescent (voir le billet : « Des outils innovants pour étudier les circuits neuronaux » par Antoine Besnard), pour ensuite regarder, grâce à un microscope 2-photons, directement dans le cerveau, l’évolution des synapses et ce en direct durant les phases de sommeil et d’éveil (Figure 1B et C). La microscopie 2-photons est une technique d’imagerie par fluorescence qui permet d’imager des tissus vivants jusqu’à environ un millimètre de profondeur avec une forte résolution. De la même façon que la première étude, les chercheurs montre une diminution de la taille des synapses au cours des phases de sommeil (figure 1C). Ils montrent également que ce sont les synapses présentant le plus de récepteurs au glutamate (neurotransmetteur excitateur) lors de l’éveil, qui sont affectées lors du sommeil, indiquant que certaines synapses semblent être ciblées pour être affaiblies. Les chercheurs se sont donc demandés ensuite comment sont ciblées ces synapses.
Pour cela, ils se sont focalisés sur le rôle d’un gène particulier, Homer1a, gène impliqué notamment dans la régulation du sommeil et de l’éveil, dans l’apprentissage et la mémoire et dans l’élimination des récepteurs glutamatergiques au niveau des synapses. Tout d’abord, les chercheurs observent que l’expression de ce gène augmente fortement de façon spécifique dans les synapses durant le sommeil. De plus, chez les souris qui n’expriment plus du tout ce gène, les synapses ne se modifient plus pendant le sommeil. Pour aller plus loin, les chercheurs ont traité des souris avec une molécule empêchant spécifiquement le passage d’Homer1a dans les épines dendritiques : les souris traitées durant le sommeil suivant un apprentissage, montrent une mémoire de peur exacerbée contrairement aux souris traitées durant l’éveil, indiquant que le blocage du passage du gène Homer1a dans les synapses pendant le sommeil perturbe la mise en mémoire correcte du souvenir.
Pour finir, les auteurs de cette deuxième étude se sont demandés par quels mécanismes Homer1a cible spécifiquement les synapses qui seront ensuite affaiblies pendant le sommeil. Alors que l’expression du gène Homer1a est faible lors des phases de sommeil mais forte lors des phases d’éveil, la présence d’Homer1a au niveau des synapses ne se retrouvent que durant le sommeil, semblant indiquer une régulation en fonction du cycle circadien. Les auteurs se sont intéressés au rôle de la noradrélanine (NA), neuromodulateur du système nerveux dont l’expression varie également en fonction des cycles éveil/sommeil et qui pourrait limiter le passage d’Homer1a dans les synapses pendant les phases d’éveil. Pour cela, ils ont modifié chez les souris l’expression de la NA soit pendant les phases de sommeil, soit pendant les phases d’éveil. L’augmentation de l’expression de la NA pendant les phases de sommeil, alors qu’elle est normalement faible, réduit le niveau d’expression d’Homer1a dans les synapses. Au contraire, la diminution de l’expression de la NA pendant les phases d’éveil, alors qu’elle est normalement haute, augmente le niveau d’expression d’Homer1a dans les synapses. L’ensemble de ces résultats suggère donc que Homer1a pourrait jouer un rôle d’intégrateur des phases d’éveil et de sommeil afin de cibler les synapses à remodeler.
L’équipe du Prof. R.L. Huganir propose le modèle suivant de l’action du gène Homer1a sur les modifications synaptiques pendant le sommeil :


Durant l’éveil, l’activité synaptique, suite à un apprentissage par exemple, conduit à l’expression du gène Homer1a, mais qui est exclue des épines dendritiques à cause de l’expression forte de la NA. Au début de la phase de sommeil, le niveau de NA diminue alors que celui de l’adénosine augmente, favorisant alors le passage d’H1a dans les épines dendritiques où il se fixe aux récepteurs glutamatergiques afin de diminuer leur nombre et ainsi affaiblir la force de transmission des signaux et donc in fine la force de la synapse. Modifiée avec la permission de American Association for the Advancement of Science: Science (Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep. (2017) Diering GH. et al.), copyright © 2017

Ces deux études apportent de nouveaux éléments pour mieux comprendre comment le sommeil participe à la consolidation des souvenirs. Alors que l’activité des synapses serait trop intense pendant les phases d’éveil car en permanence sollicitées, le sommeil permettrait au contraire de réaliser un tri efficace dans les informations journalières à retenir et celles à éliminer pour ne pas surcharger le cerveau d’informations inutiles et ainsi faciliter la rétention des informations importantes pour nous. En revanche, les auteurs n’ont pas exploré les particularités entre les différentes phases du sommeil – léger, profond et paradoxal – qui ne jouent pas le même rôle sur la consolidation de la mémoire. Par exemple, pendant le sommeil profond, les neurones impliqués dans un même souvenir s’activent de façon synchrone créant des ondes lentes qui représentent la somme de ces activités synchrones et qui permettent de renforcer la trace de ce souvenir et sa consolidation. Ces nouvelles études permettent néanmoins d’ouvrir de nouvelles pistes de recherche pour mieux appréhender les troubles de la mémoire liées aux privations de sommeil et potentiellement de mettre en place et de tester de nouvelles thérapies.

Alexandra Gros est docteure en neurosciences (Institut des neurosciences Paris-Saclay). Au cours de sa thèse, elle s’est intéressée au rôle de la neurogenèse adulte hippocampique dans les processus d’apprentissage et de mémoire, notamment épisodique. Alexandra est actuellement chercheuse post-doctorante à l’université d’Édimbourg où elle étudie comment la mise en mémoire et la persistance de souvenirs d’événements de la vie courante peuvent être affectées par un apprentissage ultérieur. Pour cela, elle cherche à élucider les mécanismes moléculaires et cellulaires sous-tendant ces processus, notamment via des mécanismes de « tagging » des neurones et synapses en utilisant l’expression des gènes immédiats précoces.

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L'inconscient au crible des neurosciences
François Ansermet,Pierre Magistretti dans mensuel 397

Existe-t-il un point de rencontre pour les neurosciences et la psychanalyse ? Un nouveau paradigme émerge : considérer les bases biologiques de l'inconscient à travers le mécanisme de plasticité du réseau neuronal. Grâce à ce mécanisme, le cerveau est ouvert au changement, tout en gardant une trace des événements passés.
Un rapprochement entre neurosciences et psychanalyse est-il possible ? Freud n'en doutait pas, qui pensait que la biologie parviendrait un jour à prouver les concepts de base de la psychanalyse. « Nous devons nous souvenir que toutes nos idées provisoires en psychologie seront probablement basées un jour sur une infrastructure organique », écrivait-il en 1914 [1] . Quelques années plus tard, il ajoutait : « Les insuffisances de notre description s'effaceraient sans doute si nous pouvions déjà mettre en oeuvre, à la place des termes psychologiques, les termes physiologiques ou chimiques [2] . » Sous ces propos, pointait la notion d'un possible recouvrement entre fait biologique et fait psychique, le second résultant du premier. Il n'empêche que, durant les décennies suivantes, la neurobiologie et la psychanalyse ont été le plus souvent considérées comme des domaines absolument séparés dans leurs fondements, car de logique différente. Tout dialogue était donc impossible.
Un retournement de situation est toutefois perceptible depuis quelques années : les tenants de la neuropsychanalyse proposent de considérer le fait psychique comme un phénomène émergeant du fait biologique. Dans cette optique, il s'agit, pour les neurosciences, de démontrer la psychanalyse, et pour la psychanalyse, de prendre en compte les avancées des neurosciences. Aux yeux du neurobiologiste Eric Kandel, Prix Nobel de physiologie et de médecine en 2000 : « La psychanalyse sortirait revigorée d'un rapprochement avec la biologie en général, et les neurosciences cognitives en particulier [3] . »

Intersection des champs
Mais à travers ce type de rapprochement, neurosciences et psychanalyse se retrouveraient indissolublement liées, au risque de perdre, chacune, leurs fondements. Aussi proposons-nous une autre démarche, qui est de considérer le fait biologique et le fait psychique comme fondamentalement différents, et d'explorer leurs éventuelles intersections.
Il ne s'agit pas ici d'étudier les mécanismes que les neurobiologistes regroupent sous le nom d'« inconscient cognitif », que nous préférons qualifier de « non conscients », pour les différencier de l'inconscient freudien. En effet, ce dernier n'a rien à voir avec un arc réflexe, un automatisme ou une mémoire procédurale lire « L'inconscient cognitif n'est pas freudien », p. 39. L'idée freudienne de l'inconscient va de pair avec l'idée de traces laissées par l'expérience, des traces qui, par leur existence même et surtout les associations qu'elles réalisent entre elles, participent à la constitution de la singularité du sujet. Or, les avancées les plus marquantes de la neurobiologie moderne portent elles aussi sur la notion de traces : en l'occurrence, il s'agit des modifications que toute expérience laisse dans l'agencement du réseau neuronal. De notre point de vue, la notion de traces laissées par l'expérience constitue donc un champ privilégié d'interrogation du rapport entre neurosciences et psychanalyse.
L'hypothèse, puis la démonstration de ce que l'expérience laisse des traces dans le réseau neuronal découlent entre autres des travaux du neurohistologiste Santiago Ramon y Cajal à la fin du XIXe siècle, de ceux du psychologue canadien Donald Hebb dans les années 1940, et enfin de ceux d'Eric Kandel et de nombreux autres neurobiologistes dès les années 1970. La conclusion générale de ces travaux est que le réseau neuronal n'est pas une structure déterminée une fois pour toutes. Il est au contraire soumis à un changement permanent. En effet, les synapses, sites des transferts d'information entre les neurones, sont constamment remodelées au gré de l'expérience : c'est ce qu'on appelle la plasticité synaptique [4] . L'activité simultanée de neurones interconnectés renforce les connexions synaptiques entre ces neurones, tant sur le plan structurel que fonctionnel : la forme et la taille des synapses changent, et de nouvelles synapses se forment [fig. 1] .
Bien sûr, certaines de ces modifications sont et demeurent en relation directe avec l'expérience visuelle, auditive, tactile ou autre qui leur a donné naissance : c'est sur elles que reposent les phénomènes de mémorisation. Ainsi, des modifications des synapses ont par exemple été mises en évidence lors d'expériences de conditionnement chez le rat. Nous proposons d'aller plus loin : les mécanismes de plasticité seraient également à l'origine de la construction d'une réalité interne inconsciente, par le biais d'un réarrangement d'une partie des traces mnésiques initiales.

Perception et réalité
Cette notion de réarrangement des traces a des conséquences importantes. En particulier, cela signifie que la réalité interne inconsciente est dissociée de la perception initiale, et n'est pas un reflet de la réalité externe. Il en résulte le paradoxe suivant : au niveau de l'inconscient, l'inscription de l'expérience sépare de l'expérience. On retrouve ici la contradiction intrinsèque à la théorie psychanalytique concernant la question de la perception. Pour Freud, d'un côté « toutes les représentations sont issues de perceptions » [5] . Et de l'autre, les processus de la vie psychique et de l'inscription de l'expérience vécue « rendent impossible la découverte de la connexion originelle » [6] . À l'aune de la plasticité, il est clair en tout cas que l'inconscient n'est pas un système de mémoire !
Une question essentielle se pose concernant la constitution de la réalité interne inconsciente : les traces laissées par la perception des stimuli sensoriels externes entrent-elles seules en ligne de compte ? Ou les stimuli internes provenant du corps lui-même sont-ils également impliqués ?
À la fin du XIXe siècle, le psychologue William James avait postulé qu'un stimulus externe a deux types d'effets. D'une part, il active le système de perception sensorielle concerné. D'autre part, il déclenche une réponse somatique - par exemple, un changement du rythme cardiaque. Autrement dit, à toute perception est associé un état somatique, dont James pensait en outre qu'il provoquait les émotions ressenties par le sujet : « Quelle sensation de peur resterait-il, si l'on ne pouvait ressentir ni les battements accélérés du coeur, ni le souffle court, ni les lèvres tremblantes, ni les membres faibles, ni le mal de ventre ? » disait-il [7] . Le neurologue de l'université de l'Iowa Antonio Damasio, qui a réactualisé la théorie de James au cours des dix dernières années, parle quant à lui de « marqueurs somatiques », autrement dit de « marqueurs de l'état du corps » [8] . Selon Damasio, ces marqueurs somatiques font que l'évocation de souvenirs s'accompagne de la résurgence de sensations liées à des états du corps.

L'amygdale et l'insula
D'après les travaux de Damasio et du neurobiologiste Joseph LeDoux, de l'université de New York [9] , deux systèmes neuronaux jouent un rôle central dans cette association : il s'agit de l'amygdale, une structure cérébrale située à la face interne du cortex temporal [fig. 2] , et de l'insula, localisée dans le cortex somato-sensoriel pariétal. En simplifiant à l'extrême, on peut dire que l'amygdale est un transducteur de signal. En amont, elle est activée par les différents systèmes sensoriels vision, audition..., sur un mode que l'on qualifie de direct car le signal n'est pas préalablement traité par le cortex sensoriel. En aval, elle déclenche les réponses somatiques, en envoyant des signaux aux systèmes neurovégétatif et endocrinien qui gèrent le rythme cardiaque, la transpiration, la libération de telle ou telle hormone, etc. L'insula, quant à elle, permet au cerveau de détecter ces changements physiologiques. Elle est un relais du système neuronal dit intéroceptif, qui informe en permanence le cerveau de l'état du corps. Une première boucle est ainsi bouclée, qui permet au cerveau de percevoir l'état somatique associé à la perception d'un stimulus externe. Le fait que l'amygdale et l'insula soient toutes deux connectées au cortex préfrontal, impliqué dans certaines formes de mémoire, permet de boucler une seconde boucle, celle du souvenir : il suffit que l'individu se remémore la situation source du stimulus, pour qu'il ressente à nouveau les sensations physiques associées.
Pour notre part, nous postulons que les mêmes mécanismes entrent en jeu quand l'inconscient freudien est activé : des états somatiques sont associés à chacune des traces ou associations de traces qui le constituent. L'état somatique est véhiculé tout au long de la chaîne de réaménagement des traces, et se retrouve finalement associé à l'un des éléments constitutifs de la réalité interne inconsciente, un fantasme donné par exemple. De ce point de vue, l'amygdale jouerait un rôle central dans la constitution de la réalité interne inconsciente. C'est donc l'une des voies par lesquelles un stimulus externe pourrait activer un scénario fantasmatique et l'état somatique qui lui est lié.

Rétablir l'équilibre physiologique
En tout état de cause, le cerveau réagit aux modifications de l'équilibre physiologique interne en tentant de le rétablir, via des signaux qu'il envoie par exemple au coeur ou aux glandes sécrétrices d'hormones. C'est en quelque sorte l'organe suprême du maintien de la constance du milieu intérieur. Or, selon les circonstances, l'état somatique est soit un état de plaisir, soit un état de déplaisir [10] . Sous cet angle, le rétablissement de l'équilibre physiologique peut être considéré comme le correspondant biologique du principe de plaisir/déplaisir freudien : il s'agit de rétablir l'état somatique de plaisir, ou, du moins, d'échapper au déplaisir. On rejoint ici le concept freudien de la pulsion [11] , lui aussi à l'interface entre le somatique et le psychique, la pulsion ayant pour but de décharger un état de tension en revenant à un état basal, ce qui produit la satisfaction. La fonction de la pulsion, centrale dans la théorie psychanalytique, a donc une portée physiologique claire dans le champ des neurosciences.
À travers l'association entre les traces laissées par l'expérience et des états somatiques, les concepts psychanalytiques d'inconscient et de pulsion se trouvent ainsi avoir une résonance biologique. Autrement dit, le modèle issu de la psychanalyse se révèle ici pertinent pour les neurosciences. Aussi parions-nous sur le fait que les données contemporaines issues de la neurobiologie gagneraient à être intégrées au modèle psychanalytique. À nos yeux, le cadre psychanalytique constitue en effet le cadre conceptuel le plus approprié pour guider les neurosciences dans la neurobiologie de l'inconscient : précisément parce qu'il est théorique, il pourrait permettre aux neurosciences de construire une théorie globale du cerveau qui n'exclut pas la dimension propre au sujet. Neurosciences et psychanalyse se rencontrent ainsi de façon inattendue autour de l'incontournable question de l'émergence de l'individualité.
EN DEUX MOTS Depuis une dizaine d'années, la « neuropsychanalyse » tente de réconcilier la psychanalyse et les neurosciences, en cherchant à démontrer la première par les secondes. Une autre approche se dégage aujourd'hui : explorer d'éventuelles intersections entre ces domaines. À cette aune, neurosciences et psychanalyse se rencontrent autour de la notion de « traces ». Les traces qu'une expérience laisse dans le psychisme et celles qu'elle laisse dans le réseau neuronal via la réorganisation des connexions entre les neurones. De ces traces résulte la réalité interne inconsciente du sujet.
[1] S. Freud, Pour introduire le narcissisme 1914, in La Vie sexuelle, PUF, 1969 réédition 2002, collection « Bibliothèque de psychanalyse ».

[2] S. Freud, Au-delà du principe de plaisir 1920, in Essais de psychanalyse, Payot, « Petite Bibliothèque », 2001.

[3] E. R. Kandel, Am. J. Psychiatry, 156 4, 505, 1999.

[4] S. Laroche, « Comment les neurones stockent les souvenirs », Les Dossiers de La Recherche, février-avril 2006, p 28.

[5] S. Freud, La négation 1925, in Résultats, idées, problèmes II, p. 137, PUF, 1985.

[6] S. Freud, Manuscrit M du 25.5.1897, in Naissance de la psychanalyse, p. 181, PUF, 1956 réédition 2002, collection « Bibliothèque de psychanalyse ».
[7] W. James, The Principles of Psychology 1890, New York, Dover, 1950.

[8] A. Damasio, L'Erreur de Descartes, Odile Jacob, 1994.

[9] J. LeDoux, Le Cerveau des émotions , Odile Jacob, 2005.

[10] A.D. Craig, Nat. Rev. Neurosci., 3 , 655, 2002.

[11] S. Freud, Pulsions et destin des pulsions 1915, in Métapsychologie, p. 11-44, Gallimard, 1976.

IDENTITE : À CHACUN SON CERVEAU
Le fait que l'expérience laisse des traces dans le cerveau par le biais de la plasticité synaptique, et que ces traces soient sans cesse remodelées, ouvre un questionnement sur l'identité du sujet. En effet, la plasticité démontre que le réseau neuronal est ouvert au changement, à la contingence : il est modulable par l'événement. Autrement dit, au-delà des déterminations qu'implique son bagage génétique, chaque individu se révèle unique et imprédictible. La plasticité remaniant constamment les circuits neuronaux, un stimulus identique peut donner des réponses chaque fois différentes en fonction de l'état du cerveau. Nous serions ainsi biologiquement déterminés pour ne pas être biologiquement déterminés. Nous serions biologiquement déterminés pour être libres. Voilà qui implique de revisiter d'une façon complètement nouvelle la question du déterminisme. D'une certaine façon, la question n'est plus de savoir comment nous pouvons changer, mais plutôt de comprendre pourquoi nous ne changeons pas plus !

PROCESSUS : L'INCONSCIENT COGNITIF N'EST PAS FREUDIEN
le neurobiologiste et prix nobel Eric Kandel propose que l'étude de la nature des processus mentaux inconscients est l'un des domaines où biologie et psychanalyse pourraient se rejoindre. C'est un fait, les neurosciences cognitives ne cessent de fournir de nouvelles connaissances sur quantité d'opérations mentales qui s'effectuent sans que nous en ayons conscience [1]. Historiquement, ces processus ont d'abord été mis en évidence chez des patients dont le cerveau avait subi une lésion, tel l'emblématique patient H.M. Atteint d'épilepsie, il subit en 1953 l'ablation bilatérale de la partie du lobe temporal, où est localisé l'hippocampe. L'épilepsie disparut, mais sa capacité à restituer consciemment de nouveaux souvenirs aussi. Pourtant, il était encore capable d'apprentissage non conscient : dans une expérience célèbre, Brenda Milner, la psychologue canadienne qui l'a suivi pendant des années, a montré que sa capacité à effectuer correctement une certaine tâche augmentait de jour en jour, comme chez un sujet sain, alors même qu'au début de chaque session d'entraînement il prétendait être confronté à cette tâche pour la première fois. Nettement moins extrêmes, testables chez n'importe lequel d'entre nous, les effets d'amorçages témoignent eux aussi de processus non conscients de traitement de l'information. Par exemple, l'identification d'un objet donné parmi plusieurs autres est plus rapide si le sujet a préalablement vu l'objet en question. Enfin, on peut bien évidemment citer les innombrables actions que l'on effectue sur un mode « automatique ». Notamment, conduire une voiture : point n'est besoin, à chaque instant, de réfléchir aux gestes à accomplir. La mémoire dite « procédurale » est à l'oeuvre, qui nous permet de conduire sans y penser. Regroupés sous le terme d'« inconscient cognitif », ces processus n'ont rien à voir avec l'inconscient freudien.
[1] A. Cleeremans, « Ces zombies qui nous gouvernent », La Recherche , juillet-août 2003, p. 36 ; A. Berthoz, « Au commencement était l'action », La Recherche , juillet-août 2003, p. 74.

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