Le cerveau est la partie du système nerveux central qui est contenue dans la cavité crânienne du crâne. Il comprend le cortex cérébral, le système limbique, les ganglions de la base, le thalamus, l’hypothalamus et le cervelet. Il existe trois façons différentes de sectionner un cerveau afin de visualiser les structures internes: une section sagittale coupe le cerveau de gauche à droite, comme le montre la figure 1b, une section coronale coupe le cerveau d’avant en arrière, comme le montre la figure 1a, et une section horizontale coupe le cerveau de haut en bas.

Cortex cérébral

La partie la plus externe du cerveau est un morceau épais de tissu du système nerveux appelé cortex cérébral, qui est plié en collines appelées gyri (singulier: gyrus) et vallées appelées sulci (singulier: sulcus). Le cortex est composé de deux hémisphères — droit et gauche — séparés par un grand sulcus. Un faisceau de fibres épais appelé corps calleux (latin: « corps dur ») relie les deux hémisphères et permet de transmettre des informations d’un côté à l’autre. Bien que certaines fonctions cérébrales soient localisées plus dans un hémisphère que dans l’autre, les fonctions des deux hémisphères sont largement redondantes. En fait, parfois (très rarement) un hémisphère entier est retiré pour traiter l’épilepsie sévère. Bien que les patients souffrent de certains déficits après la chirurgie, ils peuvent avoir étonnamment peu de problèmes, en particulier lorsque la chirurgie est pratiquée sur des enfants dont le système nerveux est très immature.

Figure 1. Ces illustrations montrent les sections (a) coronales et (b) sagittales du cerveau humain.

Dans d’autres chirurgies pour traiter l’épilepsie sévère, le corps calleux est coupé au lieu d’enlever un hémisphère entier. Cela provoque une condition appelée cerveau divisé, qui donne un aperçu des fonctions uniques des deux hémisphères. Par exemple, lorsqu’un objet est présenté au champ visuel gauche des patients, ils peuvent être incapables de nommer verbalement l’objet (et peuvent prétendre ne pas avoir vu d’objet du tout). En effet, l’entrée visuelle du champ visuel gauche traverse et pénètre dans l’hémisphère droit et ne peut alors pas signaler au centre de la parole, qui se trouve généralement dans le côté gauche du cerveau. Remarquablement, si un patient à cerveau divisé est invité à ramasser un objet spécifique d’un groupe d’objets avec la main gauche, le patient sera capable de le faire mais sera toujours incapable de l’identifier vocalement.

Figure 2. Le cortex cérébral humain comprend les lobes frontal, pariétal, temporal et occipital.

Chaque hémisphère cortical contient des régions appelées lobes qui sont impliquées dans différentes fonctions. Les scientifiques utilisent diverses techniques pour déterminer quelles zones du cerveau sont impliquées dans différentes fonctions: ils examinent les patients qui ont eu des blessures ou des maladies qui affectent des zones spécifiques et voient comment ces zones sont liées à des déficits fonctionnels. Ils mènent également des études sur les animaux où ils stimulent les zones du cerveau et voient s’il y a des changements de comportement. Ils utilisent une technique appelée stimulation transmagnétique (SMT) pour désactiver temporairement des parties spécifiques du cortex à l’aide d’aimants puissants placés à l’extérieur de la tête; et ils utilisent l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour examiner les changements du flux sanguin oxygéné dans des régions cérébrales particulières qui sont en corrélation avec des tâches comportementales spécifiques. Ces techniques, et d’autres, ont donné un bon aperçu des fonctions de différentes régions du cerveau, mais ont également montré qu’une zone du cerveau donnée peut être impliquée dans plus d’un comportement ou processus, et tout comportement ou processus donné implique généralement des neurones dans plusieurs zones du cerveau. Cela étant dit, chaque hémisphère du cortex cérébral des mammifères peut être divisé en quatre lobes définis fonctionnellement et spatialement: frontal, pariétal, temporal et occipital. La figure 2 illustre ces quatre lobes du cortex cérébral humain.

Figure 3. Différentes parties du cortex moteur contrôlent différents groupes musculaires. Les groupes musculaires voisins du corps sont généralement également contrôlés par les régions voisines du cortex moteur. Par exemple, les neurones qui contrôlent le mouvement des doigts sont proches des neurones qui contrôlent le mouvement de la main.

Le lobe frontal est situé à l’avant du cerveau, au-dessus des yeux. Ce lobe contient le bulbe olfactif, qui traite les odeurs. Le lobe frontal contient également le cortex moteur, ce qui est important pour la planification et la mise en œuvre du mouvement. Les zones du cortex moteur correspondent à différents groupes musculaires et cette carte présente une certaine organisation, comme le montre la figure 3. Par exemple, les neurones qui contrôlent le mouvement des doigts sont à côté des neurones qui contrôlent le mouvement de la main. Les neurones du lobe frontal contrôlent également les fonctions cognitives telles que le maintien de l’attention, de la parole et de la prise de décision. Des études sur des humains qui ont endommagé leurs lobes frontaux montrent que certaines parties de cette zone sont impliquées dans la personnalité, la socialisation et l’évaluation des risques.

Le lobe pariétal est situé au sommet du cerveau. Les neurones du lobe pariétal sont impliqués dans la parole et la lecture. Deux des fonctions principales du lobe pariétal sont le traitement de la somatosensation — les sensations tactiles telles que la pression, la douleur, la chaleur, le froid — et le traitement de la proprioception — le sens de l’orientation des parties du corps dans l’espace. Le lobe pariétal contient une carte somatosensorielle du corps similaire au cortex moteur.

Le lobe occipital est situé à l’arrière du cerveau. Il est principalement impliqué dans la vision – voir, reconnaître et identifier le monde visuel.

Le lobe temporal est situé à la base du cerveau par vos oreilles et est principalement impliqué dans le traitement et l’interprétation des sons. Il contient également l’hippocampe (en grec pour « hippocampe”) — une structure qui traite la formation de la mémoire. L’hippocampe est illustré à la figure 5. Le rôle de l’hippocampe dans la mémoire a été partiellement déterminé en étudiant un patient épileptique célèbre, HM, qui s’est fait retirer les deux côtés de son hippocampe pour tenter de guérir son épilepsie. Ses crises ont disparu, mais il ne pouvait plus former de nouveaux souvenirs (bien qu’il puisse se souvenir de certains faits avant son opération et qu’il puisse apprendre de nouvelles tâches motrices).

Cortex cérébral

Par rapport aux autres vertébrés, les mammifères ont un cerveau exceptionnellement grand pour leur taille corporelle. Le cerveau d’un alligator entier, par exemple, remplirait environ une cuillère à café et demie. Cette augmentation du rapport cerveau / taille du corps est particulièrement prononcée chez les singes, les baleines et les dauphins. Bien que cette augmentation de la taille globale du cerveau ait sans aucun doute joué un rôle dans l’évolution de comportements complexes propres aux mammifères, elle ne raconte pas toute l’histoire. Les scientifiques ont trouvé une relation entre la surface relativement élevée du cortex et l’intelligence et les comportements sociaux complexes exposés par certains mammifères. Cette augmentation de la surface est due, en partie, à un repliement accru de la feuille corticale (plus de sulci et de gyri). Par exemple, un cortex de rat est très lisse avec très peu de sulci et de gyri. Les cortex de chat et de mouton ont plus de sulci et de gyri. Les chimpanzés, les humains et les dauphins en ont encore plus.

Figure 4. Les mammifères ont des rapports cerveau / corps plus importants que les autres vertébrés. Chez les mammifères, l’augmentation du repliement cortical et de la surface est corrélée à un comportement complexe.

Ganglions basaux

Les zones cérébrales interconnectées appelées ganglions basaux (ou noyaux basaux), illustrées à la figure 1b, jouent un rôle important dans le contrôle des mouvements et la posture. Les dommages aux ganglions de la base, comme dans la maladie de Parkinson, entraînent des déficiences motrices comme une démarche de brassage lors de la marche. Les ganglions de la base régulent également la motivation. Par exemple, lorsqu’une piqûre de guêpe a causé des lésions bilatérales des ganglions de la base chez un homme d’affaires de 25 ans, il a commencé à passer toutes ses journées au lit et n’a montré aucun intérêt pour rien ni pour personne. Mais lorsqu’il était stimulé de l’extérieur — comme lorsque quelqu’un lui demandait de jouer à un jeu de cartes avec lui — il était capable de fonctionner normalement. Fait intéressant, lui et d’autres patients similaires ne déclarent pas se sentir ennuyés ou frustrés par leur état.

Thalamus

Figure 5. Le système limbique régule les émotions et d’autres comportements. Il comprend des parties du cortex cérébral situées près du centre du cerveau, y compris le gyrus cingulaire et l’hippocampe ainsi que le thalamus, l’hypothalamus et l’amygdale.

Le thalamus (en grec pour « chambre interne”), illustré à la figure 5, agit comme une passerelle vers et depuis le cortex. Il reçoit des entrées sensorielles et motrices du corps et reçoit également des retours du cortex. Ce mécanisme de rétroaction peut moduler la conscience des entrées sensorielles et motrices en fonction de l’état d’attention et d’excitation de l’animal. Le thalamus aide à réguler la conscience, l’excitation et les états de sommeil. Une maladie génétique rare appelée insomnie familiale fatale provoque la dégénérescence des neurones thalamiques et de la glie. Ce trouble empêche les patients affectés de pouvoir dormir, entre autres symptômes, et est finalement fatal.

Hypothalamus

Sous le thalamus se trouve l’hypothalamus, illustré à la figure 5. L’hypothalamus contrôle le système endocrinien en envoyant des signaux à l’hypophyse, une glande endocrine de la taille d’un pois qui libère plusieurs hormones différentes qui affectent d’autres glandes ainsi que d’autres cellules. Cette relation signifie que l’hypothalamus régule les comportements importants contrôlés par ces hormones. L’hypothalamus est le thermostat du corps — il veille à ce que les fonctions clés telles que la consommation d’eau et de nourriture, la dépense énergétique et la température corporelle soient maintenues à des niveaux appropriés. Les neurones de l’hypothalamus régulent également les rythmes circadiens, parfois appelés cycles de sommeil.

Système limbique

Le système limbique est un ensemble de structures connectées qui régule les émotions, ainsi que les comportements liés à la peur et à la motivation. Il joue un rôle dans la formation de la mémoire et comprend des parties du thalamus et de l’hypothalamus ainsi que de l’hippocampe. Une structure importante dans le système limbique est une structure du lobe temporal appelée amygdale (en grec pour « amande”), illustrée à la figure 5. Les deux amygdales sont importantes à la fois pour la sensation de peur et pour reconnaître les visages craintifs. Le gyrus cingulaire aide à réguler les émotions et la douleur.

Cervelet

Le cervelet (du latin pour « petit cerveau”), représenté sur la figure 2, se trouve à la base du cerveau au-dessus du tronc cérébral. Le cervelet contrôle l’équilibre et aide à coordonner les mouvements et à apprendre de nouvelles tâches motrices.

Tronc cérébral

Le tronc cérébral, illustré à la figure 2, relie le reste du cerveau à la moelle épinière. Il se compose du mésencéphale, de la moelle oblongue et du pons. Les neurones moteurs et sensoriels s’étendent à travers le tronc cérébral, ce qui permet le relais des signaux entre le cerveau et la moelle épinière. Les voies neuronales ascendantes se croisent dans cette section du cerveau permettant à l’hémisphère gauche du cerveau de contrôler le côté droit du corps et vice versa. Le tronc cérébral coordonne les signaux de commande du moteur envoyés du cerveau au corps. Le tronc cérébral contrôle plusieurs fonctions importantes du corps, notamment la vigilance, l’excitation, la respiration, la pression artérielle, la digestion, la fréquence cardiaque, la déglutition, la marche et l’intégration des informations sensorielles et motrices.

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