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Le cerveau se plie aux lois de la mécanique

Imprimante 3D à l’appui, des chercheurs font la démonstration que les lois de la mécanique suffisent à expliquer les circonvolutions du cerveau humain.

Les circonvolutions, qui apparaissent chez le fœtus vers la 25e semaine, jouent un rôle majeur dans le fonctionnement de notre cerveau. Elles permettent d’augmenter la surface du cortex tout en maintenant un échange rapide d’information entre les neurones. Un défaut de ce processus conduit à de sérieux problèmes de développement cognitif.

Mais d’où viennent les plis de notre cerveau ? Au milieu des années 70, des scientifiques de l’université de Harvard, aux États-Unis, avançaient que ses structures pouvaient résulter d’un processus non pas biochimique, mais purement mécanique. Ils montraient grâce à un modèle mathématique que la croissance différentiée des couches de notre cerveau aboutissait très logiquement à cette configuration. Reste qu’en l’absence de démonstration, la question restait très discutée. Or, dans la revue Nature Physics, une équipe américaine également basée à Harvard vient tout juste d'exposer cette fameuse démonstration.

De la cervelle en gelée

Le cerveau est imprimé en 3D à partir de données recueillies par IRM sur un fœtus de 22 semaines (1). Un moule est fabriqué à partir de ce modèle (2). Un gel de polymère est injecté dans le moule pour former la « matière blanche » (3). Elle est recouverte d’une fine couche de « matière grise » (4). L’ensemble est immergé dans un solvant (5) afin de mimer la croissance du cerveau.

Grâce à des données obtenues par IRM, les chercheurs ont imprimé en trois dimensions le cerveau lisse d’un fœtus de 22 semaines. Utilisant un gel de polymère, ils ont reproduit au mieux les caractéristiques physiques de la couche externe, la matière grise, et de la couche interne, la matière blanche. Pour simuler la croissance du cerveau, le modèle a ensuite été immergé dans un solvant. Et comme par magie, des circonvolutions sont apparues, conformes à celles que l’on peut observer à la surface d’un vrai cerveau.

D’un point de vue scientifique, on expliquera le phénomène par le fait que la matière grise grandit plus vite que la matière blanche. Des plis se forment alors naturellement pour libérer les contraintes occasionnées par l’augmentation de surface du cortex.

En utilisant les mêmes lois physiques, la croissance d’un cerveau simulé par ordinateur (à droite) laisse apparaître des circonvolutions très semblables à celles d’un vrai cerveau (à gauche).

Cette étude reste malgré tout imparfaite. Elle néglige notamment le rôle du crâne dans le développement du cerveau. Elle démontre néanmoins l’intérêt d’une approche mécanique dans les processus biologiques. Il y a moins d’un an, une autre étude très comparable démontrait que, chez les vertébrés, la formation du tube neural était également régie par les lois de la physique. 

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