Quand la lumière fait générer de nouveaux neurones

S’il est connu depuis 1998 que de nouveaux neurones sont produits dans le cerveau humain adulte tout au long de la vie, les mécanismes physiologiques et moléculaires qui régulent ce processus sont encore mal connus. En février 2021, une équipe canadienne publie dans la revue scientifique Cell une étude qui montre, dans le cerveau de la souris, que la lumière favorise la génération de nouveaux neurones via la production de mélatonine.

De nouveaux neurones sont produits au cours de la vie

La question de la production de nouveaux neurones (neurogenèse) dans le cerveau humain adulte a longtemps agité la communauté scientifique. Santiago Ramón y Cajal (1852 – 1934), le père de la neurobiologie, avait formulé le dogme que le nombre de neurones est fixe au cours de la vie, ce que nous avons pu apprendre à l’école. Dans les années 1960, le neurobiologiste américain Joseph Altman (1925-2016) montre que de nouveaux neurones sont générés dans le cerveau adulte de la souris, ce qui a été confirmé chez l’humain en 1998 par le neurobiologiste américain Fred Gage (1950 – ). La question a fait de nouveau débat en 2018-2019 (voir ici, et ), opposant plusieurs équipes de neurobiologistes : il est maintenant admis qu’il existe une neurogenèse dans le cerveau humain adulte, qui diminuerait peu avec l’âge. Le débat porte aujourd’hui sur l’importance de cette neurogenèse : combien de nouveaux neurones sont produits au cours de la vie ? Quelle est l’importance de ce processus ?

Figure 1. Cerveau humain (hippocampe en bleu). @Biorender.com

Ces nouveaux neurones sont notamment générés dans l’hippocampe, une région impliquée dans la mémoire et l’apprentissage (Figure 1). Ils sont produits à partir de cellules souches neurales et mettent environ 1 mois (chez la souris) à s’intégrer aux réseaux neuronaux préexistants (Figure 2).

A quoi servent ces nouveaux neurones ? Les études chez la souris montrent qu’ils participeraient aux processus cognitifs impliqués dans l’apprentissage, la mémoire, l’adaptabilité et favoriseraient une méta-plasticité cérébrale (le fait que le cerveau n’est pas figé au cours de la vie, qu’il existe une variation dans nos réseaux neuronaux). Des anomalies dans la neurogenèse adulte sont associés à des déclins cognitifs, comme la maladie d’Alzheimer, et des maladies psychiatriques ; mais la question reste ouverte quant aux mécanismes qui sont responsables de cette association.

Quels facteurs environnementaux régulent la neurogenèse adulte ?

Figure 2. Neurogenèse adulte dans l’hippocampe. Les cellules souches neurales (neural stem cell) prolifèrent et produisent de nouveaux neurones (differentiation), qui migrent vers des reseaux neuronaux préexistants où il s’intègrent (survival) et maturent (en 1 mois chez la souris). Les facteurs environnementaux comme l’effort physique, l’apprentissage, un environnement enrichi et le stress régulent ce processus. @Fred Gage, Science  31 May 2019

Les études chez la souris montrent que la neurogenèse adulte est sensible à de nombreux facteurs environnementaux. Ceux qui la favorise sont un environnement enrichi (des jeux sont ajoutés dans la cage de la souris, on peut imaginer chez l’humain tout ce qui stimule l’apprentissage, de la nouveauté), l’exercice physique, le régime alimentaire (peu calorique, sans carences en vitamines, par exemple), les interactions sociales (Figure 2). Ceux qui l’inhibent sont le stress et le régime alimentaire (riche en calories, alcool, caféine, par exemple) (Figure 2).

La lumière favorise la neurogenèse adulte

Figure 3. Les cellules souches neurales (NSCs) prolifèrent surtout pendant la journée (en jaune, 0h=début du jour), particulièrement le matin. @Gengatharan et al., Cell, 2021

L’équipe de chercheurs canadiens s’est posé la question du rôle de l’alternance jour/nuit sur la génération de nouveaux neurones. Ils ont pour cela réalisé une prouesse technique en installant des mini-caméras (endoscopes) dans les régions prolifératives du cortex cérébral de souris. Ils ont tout d’abord observé que 70% des divisions des cellules souches neurales ont lieu en journée, principalement le matin (Figure 3).

Afin de comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de ce biais de prolifération pendant la journée, les chercheurs ont concentré leur attention sur la mélatonine. Parfois appelée hormone du sommeil, la mélatonine est une neuro-hormone synthétisée la nuit (dans l’obscurité, quand il n’y a pas de lumière) par la glande pinéale (localisée au centre du cerveau). La production de mélatonine est réduite en journée notamment par l’exposition aux lumières bleues et violettes (460 et 424 nm ; ce pourquoi il est déconseillé d’utiliser des écrans générant ces lumières en fin de journée où la production de mélatonine favorise le sommeil). Elle est prise en complément par les personnes atteintes de troubles du sommeil. Cette hormone est connue comme inhibant la prolifération des cellules, par exemple les cellules cancéreuses. Lorsque les chercheurs ont utilisé un inhibiteur de mélatonine pendant la nuit, les cellules souches neurales proliféraient plus pendant la nuit (alors que ce produit n’avait pas d’effet pendant la journée). A l’inverse, une administration de mélatonine la journée inhibait la prolifération des cellules souches neurales. Ainsi, la mélatonine inhibe la prolifération des cellules souches neurales, ce qui explique pourquoi elles prolifèrent surtout la journée.

Si ces résultats sont applicables à l’humain (la souris est un animal nocturne mais son cycle de production de mélatonine est similaire au notre), ils posent la question de la nécessité de l’exposition à la lumière pour favoriser la neurogenèse adulte. Par exemple, cette exposition est diminuée dans certains pays et pour certaines populations qui ne peuvent sortir facilement (par exemple les personnes âgées, malades, incarcérées, ou confinées). Ils posent également la question d’une exposition prolongée à la lumière, notamment les personnes travaillant la nuit et qui utilisent des écrans le soir : est-il bénéfique d’inhiber trop longtemps la production de mélatonine et de favoriser trop longtemps dans la journée la prolifération des cellules souches neurales (on pense par exemple à la formation de cellules malignes) ?

Références :

Gengatharan A, Malvaut S, Marymonchyk A, Ghareghani M, Snapyan M, Fischer-Sternjak J, Ninkovic J, Götz M, Saghatelyan A. (2021) Adult neural stem cell activation in mice is regulated by the day/night cycle and intracellular calcium dynamics. Cell. 2021 Feb 4;184(3):709-722.e13. doi: 10.1016/j.cell.2020.12.026. Epub 2021 Jan 21. PMID: 33482084

Fred Gage (2019), Adult neurogenesis in mammals, Science  31 May 2019: Vol. 364, Issue 6443, pp. 827-828

Obernier  K., Alvarez-Buylla  A. (2019) Neural stem cells: origin, heterogeneity and regulation in the adult mammalian brain, Development, 2019 Feb 18;146(4):dev156059. doi: 10.1242/dev.156059.

Tähkämö  L., Partonen  T., Pesonen  AK. (2019) Systematic review of light exposure impact on human circadian rhythm, Chronobiol Int. 2019 Feb;36(2):151-170. doi: 10.1080/07420528.2018.1527773. Epub 2018 Oct 12

Louis Foucault (2019) Oui le cerveau adulte produit bien de nouveaux, neurones, Cortex Mag, https://www.cortex-mag.net/oui-le-cerveau-adulte-produit-bien-de-nouveaux-neurones/

Alexandra Gros & Antoine Besnard (2019) Neurogenèse adulte chez l’humain : la fin d’une polémique ? La Journal du CNRS, https://lejournal.cnrs.fr/nos-blogs/aux-frontieres-du-cerveau/neurogenese-adulte-chez-lhumain-la-fin-dune-polemique-0

Toda  T., Parylak  SL., Linker  SB., Gage  F. (2018) The role of adult hippocampal neurogenesis in brain health and disease, Mol Psychiatry. 2019 Jan;24(1):67-87. doi: 10.1038/s41380-018-0036-2. Epub 2018 Apr 20.

Eriksson PS, Perfilieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. (1998) Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nat Med 4, 1313–1317

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