Le Dr Martin Wessendorf est neuroscientifique et professeur agrégé émérite à l’Université du Minnesota. Ses travaux portent sur la façon dont le tronc cérébral contrôle la fonction des neurones de la moelle épinière. Daniel Wang fait également des recherches sur le cerveau, en se concentrant sur les neurosciences cognitives et les maladies neurodégénératives.
Ils sont les auteurs d’un nouveau Frontières de la neuroanatomie article qui explore plusieurs circuits cérébraux chez des animaux à quatre membres qui sont câblés de manière croisée (ce qui signifie qu’un côté du cerveau se connecte au côté opposé du corps). Il propose une nouvelle hypothèse sur la manière dont ils auraient pu évoluer.
Pour ceux qui ont étudié la neuroanatomie, vous vous êtes peut-être posé des questions sur les câblages croisés du cerveau et sur son histoire évolutive. Nous passerons en revue différentes voies, puis proposerons notre hypothèse sur la raison pour laquelle la plupart de ces voies controlatérales (traversant la ligne médiane) ont évolué.
Sommaire
Comment les informations passent des yeux au cerveau
L’histoire commence par l’apport sensoriel des yeux. Parce que le cristallin inverse l’image sur la rétine, ce que l’œil voit à droite de nous forme une image sur le côté gauche de la rétine et vice versa. Le nerf optique transmet cette information au chiasma optique, où les fibres nerveuses responsables du champ visuel droit sont séparées et dirigées vers la moitié gauche du cerveau. Ce processus se reflète dans le champ visuel gauche. Nos entrées visuelles ciblent, entre autres, une structure ancienne appelée le tectum optique.
Le tectum optique (appelé colliculus supérieur chez les mammifères) est une structure située dans le mésencéphale qui génère des réponses rapides à ce que nous voyons. Les informations de chaque champ visuel sont cartographiées sur le côté opposé du tectum optique. Dans ses couches plus profondes, les sensations physiques (informations somatosensorielles) sont également cartographiées. Le tectum optique est présent chez toutes les espèces de vertébrés et, par conséquent, semble être l’une des structures neuroanatomiques les plus anciennes chez les vertébrés.
Comment les informations sur le corps parviennent au cerveau
Nous abordons deux voies neuronales qui assurent la médiation des sensations physiques dans la majeure partie du corps. Les deux traversent la ligne médiane du système nerveux central (le cerveau et la moelle épinière) et semblent être présents chez toutes les espèces de tétrapodes (les animaux à quatre membres, notamment les mammifères, les oiseaux, les reptiles et les amphibiens).
La voie de la colonne dorsale assure le contact léger, les vibrations et la position du corps. Comme son nom l’indique, il transmet les sensations des membres et du corps en remontant la colonne dorsale de la moelle épinière. Il se connecte ensuite à un autre neurone et traverse la ligne médiane du tronc cérébral, située juste au-dessus de la moelle épinière. Bien que les poissons ne disposent pas de cette voie, elle a été observée chez les amphibiens, les oiseaux, les mammifères et les reptiles, démontrant une présence hautement conservée chez les tétrapodes.
Pendant ce temps, la voie du tractus spinothalamique transporte des informations sur la douleur, les démangeaisons et certaines formes de toucher du corps vers le cerveau. En plus de véhiculer différents types de sensations, ce trajet diffère du trajet de la colonne dorsale en traversant la ligne médiane de la moelle épinière elle-même. Après cela, il monte et transmet ses informations sensorielles du corps au thalamus : la partie du cerveau située juste au-dessus du mésencéphale et qui traite une grande partie des informations relatives aux mouvements et aux sens. Un tractus spinothalamique organisé de manière controlatérale a été trouvé chez les oiseaux, les mammifères, les reptiles et même chez certains poissons cartilagineux : les requins et les raies.
Comment les informations passent du cerveau au corps
Nous avons également examiné trois voies organisées de manière controlatérale qui contrôlent les muscles squelettiques.
La première est la voie tectospinale. Le tectum optique reçoit des entrées visuelles, mais il reçoit également des entrées auditives et somatosensorielles, qui sont cartographiées en correspondance avec les entrées visuelles du tectum controlatéral. Si vous êtes sur le point d’entrer dans un passage pour piétons et que vous voyez du coin de l’œil une voiture venant en sens inverse, vous vous tournez vers elle. Ceci est un exemple de la façon dont la voie tectospinale médie les réponses aux stimuli visuels. Il peut médier des réponses similaires à des stimuli auditifs et tactiles. La composante motrice de cette voie provient des couches les plus profondes du tectum optique et projette ses axones vers la moelle épinière controlatérale. Cette voie est présente chez la plupart des tétrapodes et certains poissons cartilagineux.
On pense que la voie rubrospinale facilite le contrôle des membres chez les animaux. Cette voie, importante chez la plupart des mammifères, prend son origine dans le noyau rouge du mésencéphale avant de se projeter vers la moelle épinière controlatérale. Il a été signalé qu’il existe chez les tétrapodes et certains poissons cartilagineux.
La voie corticospinale, qui chez l’homme permet le contrôle de notre motricité fine, constitue un cas particulier. Alors que tous les vertébrés possèdent un télencéphale – la partie avant du cerveau constituant l’essentiel de sa masse chez l’homme – seuls les mammifères contiennent un cortex cérébral à six couches. Le cortex à six couches est responsable de fonctions d’ordre supérieur telles que l’intégration de différentes sensations avec la mémoire, le contrôle moteur et le langage. Le tractus corticospinal peut moduler soit l’entrée somatosensorielle, soit, dans le cas des primates et de quelques autres espèces, la sortie motrice. Chez la plupart des mammifères, la voie corticospinale part du cortex cérébral, se projette vers la partie de la moelle épinière où pénètrent les sensations et module les entrées somatosensorielles. Chez les primates (y compris les humains) et certaines autres espèces adroites, cette voie se projette vers la partie de notre moelle épinière qui contrôle nos muscles et permet, par exemple, un contrôle fin des doigts. Ainsi, selon les espèces, la voie corticospinale peut être soit une voie motrice, soit une voie modulatrice de la somatosensation. Dans les deux cas, le tractus corticospinal traverse la ligne médiane du cerveau. Cela suggère que nous, les humains, avons obtenu notre contrôle moteur fin en cooptant un circuit dont la fonction ancestrale était le contrôle somatosensoriel.
Evolution, l’ingénieur visionnaire
Tout bien considéré, nous proposons que les voies visuelles évolutives anciennes ont poussé notre système nerveux central à s’organiser de manière controlatérale – au moins chez les tétrapodes. Étant donné que tous les vertébrés vivants possèdent à la fois un chiasma optique et un tectum optique organisé de manière controlatérale, nous pensons que les poissons sans mâchoire de l’ère cambrienne qui vivaient il y a environ 538 à 486 millions d’années possédaient à la fois un chiasma optique et un tectum optique. Il serait peut-être possible de tester cette hypothèse en examinant les restes fossilisés de leurs crânes.
Puisque l’évolution est conservatrice dans ses innovations – elle conserve et s’appuie souvent sur les structures, voies et mécanismes existants plutôt que d’en inventer de nouveaux – l’organisation du système visuel (et en particulier le tectum optique) peut avoir défini les principes d’organisation requis pour les voies sensorielles et motrices qui ont évolué plus tard. Nous proposons que l’organisation controlatérale n’a pas nécessairement évolué comme une adaptation, mais parce que l’évolution est un ingénieur qui construit avec les fondations et les matériaux dont il dispose.
