Développement du cerveau – Avant et après la naissance
Le développement du cerveau commence avant même que la plupart des femmes sachent qu’elles sont enceintes. À partir de deux semaines après la conception jusqu’à environ 24 mois, le cerveau grandit plus rapidement que n’importe quel autre organe. À la naissance, le cerveau du nourrisson pèse environ 25 % de celui d’un adulte.
La croissance du cerveau pendant les périodes prénatale et postnatale (mesurée par la circonférence de la tête du bébé pendant les visites de suivi de la santé) influe sur les résultats cognitifs ultérieurs (Gilles, Green, Nelson et Gwinn, 2012). Différents processus intervenant dans le développement du cerveau s’opèrent et sont touchés par une combinaison d’instructions génétiques et d’influences expérientielles. Des milliards de neurones, ayant tous le même code génétique, créent des trillions de connexions les uns avec les autres pour bâtir les voies neuronales du cerveau et du système nerveux. La plupart de ces voies neuronales sont construites après la naissance, et les expériences continuent d’influencer leur construction.
Après la deuxième semaine suivant la conception, le zygote humain devient un embryon, qui se divise en quatre couches (le mésoderme, l’endoderme, l’ectoderme et la crête neurale). Au 21e jour, la plaque neurale, un tissu neural primitif, est formée sur la couche extérieure des cellules embryonnaires, ce qu’on appelle l’ectoderme. L’ectoderme deviendra la peau et le système nerveux, y compris le cerveau.
Le processus d’induction neurale se produit 16 jours après la conception. C’est au cours de ce processus que les cellules indifférenciées dans la couche de l’ectoderme de l’embryon se différencient en tissu neural (cerveau) formant la plaque neurale. La plaque neurale se replie ensuite et forme la gouttière neurale. Par la suite, la gouttière neurale s’enroule pour créer le tube neural. La neurulation se rapporte au processus de fermeture de la plaque neurale et de création du tube neural. Une fois le tube neural refermé, la partie antérieure (avant) du tube devient le cerveau et le reste du tube neural devient la moelle épinière.
Si le tube neural ne se referme pas correctement, il en résulte ce qu’on appelle des anomalies du tube neural. Le spina bifida, dont la gravité varie grandement (voir l’image ci-dessous), est l’anomalie du tube neural la plus courante. La prise de suppléments d’acide folique pendant la période prénatale aide à prévenir le spina bifida.
Au 20e jour après la conception, des gonflements apparaissent sur le dessus du tube neural et forment trois structures : le cerveau postérieur (rhombencéphale), le cerveau intermédiaire (mésencéphale) et le cerveau antérieur (prosencéphale). Les cerveaux postérieur et intermédiaire forment ensemble le tronc cérébral. Le développement se poursuit et le cerveau postérieur se divise en métencéphale (comprenant le pont et le cervelet) et en myélencéphale (bulbe rachidien). Le cerveau intermédiaire ne se divise pas davantage; toutefois, le cerveau intermédiaire se divise en diencéphale et en télencéphale.
Le tableau suivant indique les principales divisions du cerveau, ainsi que leurs principales structures et fonctions.
| Division | Structure | Fonction |
|---|---|---|
| Cerveau postérieur | Bulbe rachidien | Fréquence cardiaque, respiration, tension artérielle |
| Pont | Cycles de sommeil-éveil | |
| Cervelet | Équilibre, coordination motrice | |
| Cerveau intermédiaire | Substance noire | Coordination motrice |
| Colliculi supérieurs et inférieurs | Réflexes visuels et auditifs | |
| Cerveau antérieur | Cortex cérébral | Cognition, traitement moteur et sensoriel. Niveau de traitement le plus élevé |
| Thalamus | Traitement sensoriel, stimulation | |
| Hypothalamus | Régulation hormonale, faim, soif, comportement sexuel et maternel | |
| Hippocampe | Stress et mémoire | |
| Amygdale | Agressivité, peur | |
| Corps calleux | Lien entre les deux hémisphères |
La communication dans le système nerveux central est réalisée au moyen de cellules nerveuses appelées des neurones. La plupart de nos neurones sont produits avant la naissance, la production de pointe de 250 000 neurones par minute survenant vers le milieu de la grossesse (Purves, Augustine et Fitzpatrick, 2004). Les neurones sont les cellules du cerveau qui stockent et transfèrent l’information. Au fur et à mesure qu’ils sont produits, ils se déplacent graduellement (migrent) vers leur emplacement permanent. Beaucoup de ces premières cellules du cerveau meurent avant la naissance alors que le cerveau prolifère et procède à de l’élagage.
La génération de nouvelles cellules s’appelle la prolifération cellulaire. Ces nouvelles cellules finissent par se développer soit en neurones, soit en glie (cellules de soutien au sein du système nerveux central) et sont produites dans la zone ventriculaire. Cette zone est adjacente aux ventricules cérébraux et c’est à cet endroit qu’a lieu la génération cellulaire. La zone ventriculaire produit les cellules progénitrices, qui se développent ensuite en neurones ou en glie. Les cellules gliales radiaires sont aussi produites à cet endroit, et soutiennent la migration des nouvelles cellules vers leur destination finale. Ce déplacement des cellules nouvellement formées jusqu’à leur destination finale s’appelle la migration cellulaire. Pendant la migration, les cellules glissent le long des cellules gliales radiaires qui émanent de la zone ventriculaire (voir l’image ci-dessous).
Pendant la prolifération cellulaire, l’embryon est très vulnérable aux moindres perturbations environnementales. Un problème pouvant résulter de ces perturbations est la microcéphalie. Il s’agit d’un groupe de troubles caractérisé par un cerveau de taille inférieure en raison d’erreurs dans la prolifération de cellules neuronales. La microcéphalie peut survenir lorsque l’embryon est exposé à des toxines comme la radiation, la rubéole, l’alcool ou le virus Zika.
Les cellules nouvellement générées commencent maintenant à se différencier. La différenciation a lieu lorsque ces cellules nouvellement formées acquièrent les caractéristiques de différents types de neurones. Les neurones forment des réseaux complexes de fibres, appelées des dendrites et des axones. Les dendrites sont des fibres qui émanent du soma (corps cellulaire) et qui reçoivent de l’information électrochimique d’autres neurones. Chaque neurone comporte de nombreuses dendrites. Chaque neurone comporte aussi un axone qui s’étend depuis le soma et qui transmet de l’information électrochimique aux dendrites d’autres neurones.
Lorsque les neurones atteignent leur destination finale, leur axone commence à s’étendre pour se connecter à d’autres neurones (excroissance axonale). Le lieu de contact entre l’axone d’un neurone (terminaison axonique) et les dendrites d’un autre neurone s’appelle une synapse. La synaptogénèse se rapporte à la production de ces connexions synaptiques. Ces minuscules points de communication se produisent avec la libération de neurotransmetteurs, des messagers chimiques d’information. Les neurotransmetteurs se trouvent dans les vésicules synaptiques des terminaisons axoniques (voir l’image ci-dessous).
Chaque neurone libère son propre neurotransmetteur et les récepteurs des neurones voisins sont activés par le neurotransmetteur particulier qui est libéré. Un signal électrique tirant son origine de la cellule présynaptique est converti en signal chimique (neurotransmetteur) qui peut être transféré à la cellule postsynaptique. En envoyant ces messages chimiques par les synapses, les neurones communiquent les uns avec les autres. Les scientifiques ont recensé plus de 60 neurotransmetteurs produits par les neurones présynaptiques et libérés dans la fente synaptique pour influer sur le neurone postsynaptique. Ces connexions synaptiques se renforcent et le cerveau prend du volume et commence à ressembler davantage à un cerveau adulte avec des renflements (les gyri) et des sillons (les sulci) le long de sa surface pour héberger le cortex plus large.
Les premières synapses sont formées dès la 23e semaine de gestation, mais la plupart des synapses se développent plus tard dans la grossesse et après la naissance, particulièrement pendant la première année de vie. Le moment de la formation des synapses varie d’une région du cerveau à une autre. Par exemple, dans la zone responsable de la vision (lobe occipital), la synaptogénèse est la plus active entre les âges de deux et de quatre mois. Cela fait contraste avec le gyrus frontal intermédiaire (qui semble intervenir dans la cognition plus avancée), dont la production de pointe de synapses se fait à l’âge de trois ans et demi.
Les synapses se forment et nécessitent de l’espace, mais environ la moitié de toutes les cellules du cerveau meurent. Cette mort cellulaire programmée s’appelle l’apoptose.
Le cerveau surproduit des synapses et celles qui ne sont pas utilisées sont éliminées. L’élagage synaptique a lieu vers la fin de l’enfance et à l’adolescence. Lorsque des synapses sont élaguées, leurs neurones connexes sont libérés aux fins de leur développement ultérieur. Pendant l’enfance et l’adolescence, environ 40 % des synapses sont élaguées pour atteindre le niveau de synapses des adultes. Le moment auquel se produit l’élagage synaptique dépend de la région du cerveau. Les expériences d’une personne ont un effet majeur sur la surproduction et sur l’élagage des synapses du cerveau. L’image ci-dessous montre à quels moments du développement ont lieu la formation des synapses et leur élagage subséquent (Nelson, 2000).
Les cellules gliales qui soutiennent et nourrissent les neurones (p. ex., par la myélinisation) continuent de croître pendant la grossesse et après la naissance. Cela entraîne une hausse importante du poids du cerveau. La myéline est une couche adipeuse qui recouvre les axones et qui accroît l’efficacité des transferts des messages d’un neurone à un autre. Les cellules gliales sont responsables de cette myélinisation (réalisée par les oligodendrocytes du système nerveux central, et les cellules de Schwann du système nerveux périphérique), qui commence à se former pendant les trois derniers mois de la grossesse.
Les axones myélinisés sont aussi appelés la matière blanche par opposition à la matière grise, laquelle est principalement composée de corps neuronaux, d’axones amyéliniques et de cellules gliales. Les fibres neuronales et la myélinisation augmentent, et le cerveau continue de grossir. En effet, même si la plupart des neurones ont été myélinisés d’ici le deuxième anniversaire du bébé, la matière blanche continue d’augmenter de façon graduelle jusque dans la vingtaine. Comme c’est le cas avec la synaptogénèse, le processus de la myélinisation commence avant la naissance, mais se produit principalement après la naissance du bébé.
La nutrition du nourrisson joue un rôle important dans la myélinisation des axones, et l’allaitement est privilégié par rapport aux préparations pour nourrissons, car il a été montré que ces préparations sont une source inadéquate d’acides gras essentiels qui jouent un rôle important dans la myélinisation et le développement normal du cerveau (Collège des médecins de famille du Canada, 2004).
Le tableau ci-dessous indique les événements majeurs de la période prénatale.
| Semaines suivant la conception | Que se passe-t-il? |
|---|---|
| 1 et 2 | Les cellules (appelées le zygote) se multiplient et se nidifient dans la muqueuse utérine. |
| 3 et 4 | Maintenant appelé un embryon jusqu’à la semaine 9. L’induction neurale et la neurulation se produisent. La première vague de migration cellulaire a lieu et les premières structures cérébrales apparaissent au plus tard le 20e jour suivant la conception. |
| 7 | La prolifération cellulaire asymétrique commence et se poursuit jusqu’au milieu de la grossesse. |
| 9 | Fin de la période embryonnaire. On parle maintenant de fœtus. |
| 11 et plus | La deuxième vague de migration cellulaire a lieu; se terminant au plus tard à la fin du 6e mois. Les cellules se spécialisent pour différentes fonctions (différenciation), les neurones migrent vers de nouveaux emplacements et commencent à former les synapses (synaptogénèse). |
En résumé, le développement du cerveau commence à la conception et se poursuit jusqu’à l’adolescence et par la suite.
Les principaux développements du cerveau sont :
(1) l’induction neurale et la neurulation, puis (2) la prolifération cellulaire et (3) la migration cellulaire, suivie de (4) la différenciation cellulaire. La (5) synaptogénèse et la (6) myélinisation commencent toutes deux dans la période prénatale et se poursuivent pendant des années après la naissance.
Références
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