Fonction exécutive, quatrième partie : croissance du cerveau et développement de la fonction exécutive

Par Philip David Zelazo, Ph.D.

Voici le troisième article d’une série en plusieurs parties sur le sujet de la fonction exécutive. M. Zelazo est professeur, Nancy M.et John E. Lindahl, à l’Institute of Child Development, à l’University of Minnesota.

Dans les premiers articles, nous avons vu comment se développe la fonction exécutive pendant l’enfance et au cours de la vie. Dans ce segment, nous allons examiner les changements dans le cerveau qui sous-tendent le développement. Si le siège de la fonction exécutive dans le cerveau n’est pas encore entièrement compris, comme nous l’avons vu dans la première partie, il y a de bonnes raisons de croire que la fonction exécutive dépend largement du cortex frontal du cerveau (voir la figure ci-dessous).

Le cortex frontal forme une mince couche sur la partie frontale du cerveau (« cortex » en latin signifie « écorce »). Cette mince couche (seulement quelques millimètres d’épaisseur!) a émergé récemment dans notre évolution, c’est­à­dire avec les mammifères dans les 200 millions dernières années. À mesure que le cerveau a évolué, le cortex s’est replié sur lui-même, en créant ainsi des pics et des crêtes, de manière à augmenter le volume dans les contraintes d’espace relativement rigides du crâne.

Anatomie du cerveau qui participe aux fonctions exécutives
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Développement du cerveau

Une grande partie du développement du cerveau se produit avant la naissance. Au cours du deuxième mois après la conception, par exemple, trois grandes divisions du cerveau deviennent visibles, y compris celle qui deviendra le cortex. Après cinq moins de gestation, le cerveau du fœtus comprend déjà autant de neurones que le cerveau d’un adulte, soit une centaine de milliards de neurones, un nombre astronomique qui représente plus de 15 fois la population de la Terre d’environ 6,5 milliards. Malgré ce départ hâtif, cependant, le développement du cerveau est un processus très lent qui se prolonge jusqu’à l’âge adulte. Comment le cerveau se développe-t-il?

Neurones et synapses
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Le cerveau se compose de milliards de cellules spécialisées nommées neurones. Les neurones se rejoignent entre eux à l'aide de terminaux nommés « synapses ». Lorsque les neurones s'activent, ils transmettent des messages aux autres neurones en libérant des molécules, nommées « neurotransmetteurs », dans les synapses.
Comme on pourrait s’y attendre, la réponse est complexe : par exemple, le nombre de neurones et de synapses ne fait pas que simplement augmenter quand la personne vieillit. Au lieu de cela, le développement du cerveau met en cause à la fois des événements progressifs et régressifs, soit l’ajout de nouveaux éléments et le retrait d’anciens éléments. Cinq grands processus, qui s’appliquent non seulement au cortex préfrontal, mais aussi au cerveau en entier, sont particulièrement notables.

1. Augmentations du poids du cerveau

À la naissance, le cerveau pèse habituellement environ 350 grammes, environ le quart du poids d’un cerveau adulte, environ 1 400 grammes, ou 3 livres. Le poids total du cerveau augmente rapidement au cours de l’enfance et atteint le poids adulte assez tôt dans la vie.

2. Fluctuations de la matière grise

La matière grise, constituée principalement de neurones et de synapses, augmente et diminue au cours de la vie. La quantité de matière grise atteint un sommet au début de l’enfance (avant l’âge de cinq ans), et diminue jusqu’à la puberté, où elle pourrait recommencer à monter, pour ensuite diminuer de manière constante une fois l’âge adulte atteint. Enfin, dans certaines régions, comme dans le cortex préfrontal dorsolatéral (voir Anatomie du cerveau ci dessus), elle recommence à monter!

On croit que les premières fluctuations dans la matière grise (pendant l’enfance et l’adolescence) représentent, du moins en partie, la surproduction et l’élimination subséquente (épuration) des synapses. Une fois que l’enfant a deux ans, environ 40 000 nouvelles synapses sont formées toutes les secondes, et au début de l’enfance, le nombre total de synapses est beaucoup plus élevé que le nombre de synapses contenues dans le cerveau adulte moyen, soit un quadrillion (1 000 000 000 000 000) de synapses, ce qui est environ 150 000 fois la population de la terre.

Fluctuations de la matière grise
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La matière grise fluctue avec l'âge; elle augmente pendant l'enfance, diminue vers la fin de l'enfance, augmente au moment de la puberté, diminue au moment de l'adolescence et le jeune âge adulte, en peut augmenter de nouveau dans le vieil âge, au moins dans certaines parties du cerveau.
Les synapses permettent la communication entre les neurones; plus il y a de synapses, plus il y a de possibilités de communication, et donc plus de possibilités d’apprentissage. Cependant, ce n’est pas toujours bon d’en avoir plus; parfois, trop de communication peut créer de la confusion (comme trop de chefs peuvent gâcher une bonne soupe), et un nombre inférieur pourrait être associé à des communications plus rationalisées et efficaces entre les neurones.

Effectivement, en produisant trop de synapses et ensuite en supprimant celles qui ne sont pas nécessaires, le développement du cerveau pourrait bien fonctionner selon les principes de Darwin de la sélection naturelle (survivance des plus aptes). Le début de l’enfance et de l’adolescence peut être des périodes de « plasticité » relative, où le cerveau se prépare à d’importants apprentissages de l’environnement. Des changements à la fin de la vie pourraient indiquer des processus dégénératifs.

3. Augmentations de la matière blanche

Si la matière grise est composée principalement de neurones et de synapses, la matière blanche est composée d’axones couverts d’une substance aux apparences blanches et graisseuses appelée myéline, qui isole les axones et facilite la conduction des signaux nerveux. À l’opposé de la surproduction et de l’élimination de matière grise, la matière blanche augmente continuellement pendant l’enfance et l’âge adulte, où elle semble s’arrêter. On croit que cette augmentation dans la matière blanche représente la myélinisation graduelle des axones.

Matière grise et substance blanche
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La couche externe (ou le cortex) du cerveau se nomme matière grise et se compose principalement de neurones et de synapses. La substance blanche se situe sous la matière grise et se compose de longs axones neuronaux recouverts d'une gaine graisseuse nommée « myéline ». La myéline isole les axones et facilite la conduction des impulsions électriques.
4. La naissance et la mort des neurones

De nouveaux neurones sont créés et certains autres meurent. Les deux processus se font le plus souvent avant la naissance : pendant le deuxième trimestre de la grossesse, jusqu’à 250 000 neurones sont formés chaque minute dans le cerveau du fœtus. Cependant, la création et l’élimination des neurones se produisent aussi pendant l’enfance et après, au moins dans certaines parties du cerveau, comme l’hippocampe, une partie qui aide à se souvenir des endroits spatiaux.

5. L’expérience façonne le cerveau

Les changements dans le cerveau semblent être fonction de l’expérience. Par exemple, le stress semble réduire la création de neurones dans l’hippocampe, tandis que l’utilisation de certaines parties du cerveau semble développer ces parties. Dans une étude menée par des chercheurs à Londres, on a découvert que les chauffeurs de taxi (qui doivent réussir un test rigoureux pour montrer leur connaissance des rues de Londres) avaient un hippocampe postérieur plus grand que d’autres hommes du même âge. De plus, la taille de l’hippocampe postérieure correspondait étroitement au nombre d’années d’expérience en tant que chauffeurs de taxi. Cette découverte laisse entendre que se fait de se fier largement à sa mémoire spatiale (et d’avoir régulièrement à s’orienter) mène à une augmentation de la taille des zones du cerveau pertinentes, dans ce cas-ci, l’hippocampe postérieur.

Une autre étude prouve la même hypothèse. Cette étude, menée par des chercheurs en Allemagne, a examiné le cortex sensorimoteur des joueurs de violon, surtout la partie associée aux mouvements complexes des doigts en cause pour jouer du violon. Les résultats ont montré que cette partie du cerveau était plus grande chez les joueurs de violon que chez les personnes qui ne jouent pas d’instruments à cordes.

Évidemment, on peut développer son cerveau en s’en servant! On ne sait pas si ce développement met en cause la création de nouveaux neurones, mais elle met certainement en cause des changements qui touchent les connexions entre les neurones (par exemple, un épaississement des dendrites). L’excitation au sujet des répercussions possibles de ces constatations sur la neuroréhabilitation en cas de lésion au cerveau ou même dans le vieillissement normal est donc justifiée.

Le cortex frontal et la fonction exécutive

Nous avons vu comment le cerveau se développe et change au cours de la vie; voyons maintenant le cortex frontal en particulier.

Développement du cortex frontal

En plus d’être une des dernières régions du cerveau à évoluer, le cortex frontal est l’une des dernières régions à atteindre la maturité pendant le développement humain. La lente progression du développement du cortex frontal a été définie de nombreuses façons, y compris l’utilisation des mesures citées ci-dessus pour le cerveau en général.

La recherche montre que le cortex frontal se développe rapidement au début de l’enfance, et que des changements importants se produisent à des âges particuliers (à la fin de la première année de vie, entre trois et six ans et près de la puberté), pour se développer ensuite à l’âge adulte. La matière grise, par exemple, n’atteint pas les niveaux de l’âge adulte dans le cortex préfrontal dorsolatéral avant au moins la fin de l’adolescence, et la myélinisation de cette région se poursuit dans la vingtaine ou peut-être la trentaine.

Découvrir les fonctions du cortex frontal

Notre connaissance des fonctions du cortex frontal provient de diverses sources. Par exemple, comme le montre le cas de Phineas Gage, des lésions au cortex frontal peuvent mener à des incapacités dans la fonction exécutive, même si d’autres fonctions cognitives demeurent intactes.

Cependant, la preuve du rôle du cortex préfrontal dans la fonction exécutive provient aussi d’études faites à l’aide de scintigraphies cérébrales, ou la neuroimagerie. Dans ces études, l’activité cérébrale de personnes saines est enregistrée pendant que ces personnes effectuent des tâches comme le test de Stroop (où on montre à la personne des noms de couleur écrits dans de l’encre d’une autre couleur, et on demande à la personne de nommer la couleur de l’encre). Une technique relativement nouvelle de neuroimagerie a émergé au cours de la dernière décennie; l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf). L’IRMf crée des images qui représentent une circulation sanguine accrue dans les zones du cerveau qui sont plus actives, comme quand les neurones envoient une décharge.

Incidence de la croissance du cortex frontal sur le développement de la fonction exécutive

Si nous savons en général que la croissance du cortex préfrontal joue un rôle dans le développement de la fonction exécutive, on en sait relativement peu sur le lien entre des changements précis dans le développement du cortex frontal et des changements précis dans la fonction exécutive des enfants.

Une étude récente dans nos laboratoires a tenté de répondre à ces questions difficiles. Dans une étude mettant en cause des enfants âgés entre sept et dix-sept ans, nous avons utilisé l’encéphalographie (EEG) à haute densité pour enregistrer les menues fluctuations dans l’activité électrique dans toutes les régions de la tête pendant que les enfants effectuaient une tâche qui mesurait la fonction exécutive. Nous avons ensuite analysé cette activité électrique, qui représente les décharges des neurones dans le cerveau, relativement à l’âge et au rendement dans plusieurs autres mesures de la fonction exécutive, comme le test de Stroop et le test des risques de l’Iowa (qui mesure la prise de décision sur des événements incertains et significatifs).

Les résultats de l’étude ont révélé des changements dans l’activité du cerveau qui étaient attribuables à l’âge, mais non aux mesures de la fonction exécutive, et d’autres changements qui étaient attribuables à la fonction exécutive, et non à l’âge. En particulier, nous avons découvert des signes qu’une diminution du nombre de neurones dans le cortex frontal qui envoient des signaux quand un enfant fait une fonction exécutive pourrait être importante pour améliorer la fonction exécutive. Cette découverte laisse croire qu’à mesure que les enfants vieillissent, le cortex préfrontal fonctionne mieux; il faut moins d’activation des neurones préfrontaux pour accomplir de plus grandes fonctions exécutives. Il est intéressant de noter que cette diminution de l’activité préfrontale correspond en général à des diminutions dans la matière grise notées plus haut.

Cette étude fournit un autre exemple de la manière dont la « croissance du cerveau » associée au développement de la fonction exécutive met en cause non seulement des ajouts, mais aussi des retraits. L’image de la contribution de la croissance du cerveau au développement de la fonction exécutive qui en découle est certainement compliquée, mais à la lumière des percées technologiques récentes, il semble que nous allons en apprendre beaucoup plus au cours des prochaines années. Le fait d’apprendre le lien entre la fonction exécutive et le développement du cerveau, et ce qui se passe quand le développement est entravé, nous aidera sans doute à comprendre et à traiter les enfants qui ont de la difficulté avec la fonction exécutive, par exemple, les enfants avec une hyperactivité avec déficit de l'attention (HADA).

Le rôle de la fonction exécutive chez les enfants atteints de troubles de développement est le sujet du prochain article dans la série.

6/2/2010

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