La » matière grise » n’est qu’un des deux types de tissu cérébral ; l’autre » matière blanche » est rarement mentionnée. Pourtant, la matière blanche constitue la moitié du cerveau humain et on ne pensait pas qu’elle était importante pour la cognition ou l’apprentissage en dehors du contexte de la pathologie. Ce point de vue pourrait changer. L’imagerie et les études cellulaires et moléculaires révèlent une plasticité de la matière blanche avec des implications possibles pour la fonction cognitive normale et les troubles psychologiques.
La matière blanche, qui se trouve sous le cortex de matière grise, est composée de millions de faisceaux d’axones (fibres nerveuses) qui connectent les neurones de différentes régions du cerveau en circuits fonctionnels. La couleur blanche provient de l’isolation électrique (myéline) qui recouvre les axones (voir la figure). Elle est formée par des cellules non neuronales, les oligodendrocytes, qui enroulent jusqu’à 150 couches de membrane cellulaire étroitement comprimée autour des axones. La myéline est essentielle à la transmission à grande vitesse des impulsions électriques, et sa détérioration peut altérer la conduction et, par conséquent, les fonctions sensorielles, motrices et cognitives. Le cerveau humain continue à subir une myélinisation au moins jusqu’à la troisième décennie de l’âge adulte, et les régions frontales du cortex cérébral, qui assurent les fonctions exécutives de haut niveau, sont les dernières à se myéliniser.
La myéline qui enrobe et isole les axones neuronaux pourrait contrôler la propagation des impulsions électriques d’une manière qui affecte le traitement de l’information.
L’apprentissage implique des changements dans la force des synapses, les connexions entre les neurones dans la matière grise. Mais l’imagerie cérébrale humaine par résonance magnétique (IRM) a révélé des changements structurels dans la matière blanche après l’apprentissage de tâches complexes. Cela soulève la question de savoir si la matière blanche réagit à l’expérience d’une manière qui affecte la fonction des neurones dans des circonstances normales, et donc le traitement de l’information et les performances. Il existe quelques observations intrigantes liées à cette possibilité. Par exemple, les changements structurels de la matière blanche sont en corrélation avec le nombre d’heures de pratique d’un musicien professionnel (1). Les changements les plus importants ont été observés dans les parties du cerveau qui n’étaient pas encore complètement myélinisées. De même, des sujets adultes ont montré une augmentation de l’organisation structurelle de la matière blanche dans une région du cerveau importante pour le contrôle visuo-moteur 6 semaines après avoir appris à jongler (2). Et dans une étude portant sur des adultes apprenant à lire, le volume, l’organisation anatomique et la connectivité fonctionnelle des trajets de substance blanche reliant les régions corticales importantes pour la lecture ont augmenté (3). Il n’est pas certain que ces changements dans la structure de la substance blanche affectent directement la fonction des neurones en modifiant la transmission des informations nécessaires à l’acquisition d’une compétence. Cependant, ces observations montrent que l’apprentissage d’une nouvelle compétence est associé à une modification de la structure de la substance blanche dans le cerveau mature.
Des études histologiques sur des animaux expérimentaux devraient permettre de préciser si les modifications de la substance blanche observées par IRM après l’apprentissage sont dues à la myélinisation d’axones non myélinisés, à l’augmentation de l’épaisseur de la myéline sur les axones déjà myélinisés, à des modifications du calibre, de la ramification ou du croisement des axones, ou à d’autres modifications cellulaires. Des analyses IRM de macaques japonais ont montré, par exemple, d’importants changements structurels dans la substance blanche du cervelet après les avoir entraînés à utiliser un râteau pour récupérer une récompense alimentaire (4). L’ampleur des changements était en corrélation avec la vitesse d’apprentissage de la compétence. Des études menées sur des rats élevés dans des environnements enrichis offrant une interaction sociale et de nouveaux objets à explorer ont révélé des changements cellulaires importants dans la matière grise et la matière blanche, notamment dans le tissu vasculaire, la glie, les neurones et une myélinisation accrue (5). La question de savoir si la myéline joue un rôle primordial dans le traitement accru de l’information dans de tels modèles animaux devrait être approfondie, car des observations telles que celles des études sur l’environnement des rats peuvent avoir des implications pour la compréhension du développement du cerveau pendant les expériences de la petite enfance.
On ne sait pas si les expériences régulent la myélinisation à l’âge adulte. La taille de la région cérébrale du corps calleux a augmenté de 10 % chez des rats adultes qui ont été placés dans un environnement enrichi pendant plusieurs mois, mais cela a été causé par une augmentation du volume d’un autre type de cellules gliales (astrocytes) ainsi que d’axones non myélinisés, peut-être en raison de la germination des axones (6). Le même traitement a augmenté le volume des axones myélinisés dans le corps calleux des animaux juvéniles. Il semble donc qu’un plus grand nombre d’axones deviennent myélinisés à la suite d’une expérience vécue pendant la période de développement où la myélinisation est la plus active. Pourtant, 29 % des oligodendrocytes formant la myéline chez les souris adultes se développent à partir de cellules progénitrices d’oligodendrocytes (OPC) après la maturité sexuelle (7). Cet apport est peut-être généré pour la réparation ou éventuellement pour la myélinisation associée à l’apprentissage. Il est intéressant de noter que le cycle de division cellulaire des CPO augmente de 8 heures pour chaque jour d’âge à partir de la naissance (8), ce qui indique que la capacité à former de nouveaux oligodendrocytes diminue avec l’âge. Cela correspond au déclin normal de la cognition humaine et à la diminution du volume de la matière blanche après l’âge de 50 ans (9).
L’une des plus grandes catégories de gènes dont l’expression change pendant le sommeil comprend les gènes qui contrôlent le développement des oligodendrocytes et la myélinisation (10). La raison de ce phénomène n’est pas claire, mais le sommeil est lié à la consolidation de la mémoire. Des mutations dans les gènes des oligodendrocytes ont été identifiées comme des facteurs de risque possibles pour la dépression et la schizophrénie (11), et la perturbation de gènes spécifiques dans les oligodendrocytes de la souris est corrélée à des changements comportementaux ressemblant à la schizophrénie chez l’homme (12). Les troubles mentaux sont actuellement compris comme des troubles de la transmission synaptique, mais les oligodendrocytes pourraient peut-être contribuer aux aberrations de la transmission.
Comment les oligodendrocytes savent-ils quels axones sont électriquement actifs ? L’activité des impulsions peut-elle affecter la myélinisation ? Trois mécanismes ont été identifiés pour réguler la myélinisation ou le développement de la glie myélinisante en réponse à la stimulation électrique des axones in vitro. Des fréquences spécifiques d’impulsions électriques contrôlent la quantité de L1 CAM présente sur les axones non myélinisés, une molécule d’adhésion cellulaire qui est nécessaire à la myélinisation (13). Le neurotransmetteur adénosine 5′-triphosphate (ATP) est libéré par les axones et active des récepteurs sur les astrocytes, les amenant à libérer une cytokine (facteur inhibiteur de la leucémie) qui stimule la myélinisation par les oligodendrocytes matures (14). L’adénosine dérivée de l’hydrolyse de l’ATP libéré favorise le développement des OPC et augmente ainsi la myélinisation (15). Bien que des synapses aient été détectées sur les CPO, ce qui laisse supposer que la communication synaptique pourrait stimuler la myélinisation, les synapses neurones-CPO sont perdues lorsque les CPO atteignent un stade de prémyélinisation (16). De plus, un mécanisme non synaptique pour la libération d’ATP à partir des axones a été identifié (17).
La substance blanche est essentielle pour la conduction des impulsions, et donc le concept de plasticité de la substance blanche élargit le champ d’investigation au-delà de la synapse en considérant la transmission de l’information à travers les réseaux neuronaux qui sont essentiels pour l’apprentissage de compétences complexes et la fonction cognitive de plus haut niveau en l’absence de pathologie. Peut-être que les différences de matière blanche qui sont en corrélation avec les résultats aux tests du quotient intellectuel (18) et avec certains troubles psychiatriques (11) peuvent être attribuées en partie à un rôle direct de la matière blanche dans l’apprentissage et la fonction cognitive. Mais beaucoup de travail reste à faire pour explorer ces possibilités intéressantes. Il s’agit notamment de déterminer la nature des changements structurels de la substance blanche observés et d’évaluer si ces changements affectent la transmission des impulsions électriques et/ou la synchronisation des tirs neuronaux d’une manière qui affecte le traitement de l’information.