L'orexine détermine la taille de la pupille

"L'effet était si fort que nous avons tout de suite su que nous étions sur la piste de quelque chose d'important", se souvient Nikola Grujic. Le post-doctorant du laboratoire de dynamique neurocomportementale de l'ETH Zurich s'était familiarisé avec les neurones dits à orexine, un axe de recherche du laboratoire, lors d'une série de premières expériences sur des souris. Il avait alors observé comment une stimulation des cellules nerveuses entra?nait une dilatation remarquable des pupilles. "Souvent, les effets de la stimulation des neurones sont cachés dans le bruit de fond des données de mesure, et nous devons les filtrer à grands frais pour les reconna?tre. Ici, c'était différent. L'effet était évident", dit-il.

Les neurones à orexine, décrits pour la première fois en 1998, mènent de l'hypothalamus à toutes les autres régions du cerveau, y compris celles qui contr?lent la conscience ainsi que les fonctions corporelles qui ne peuvent pas être influencées volontairement. Les neurones à orexine sont ainsi impliqués, entre autres, dans la régulation du rythme veille-sommeil, de l'attention, du système de récompense, de l'appétit et de la consommation d'énergie.

Indispensable à l'état normal des pupilles

Comme le montrent les mesures de Grujic, les neurones à orexine influencent aussi directement une caractéristique centrale de l'état émotionnel : les pupilles ne réagissent pas seulement aux stimuli lumineux par une modification de leur taille, mais aussi aux sollicitations mentales et aux impressions émotionnelles. Le langage populaire les appelle à juste titre la fenêtre de l'?me, et tant la médecine que la psychologie utilisent couramment la largeur des pupilles chez les humains comme mesure de l'attention et d'autres fonctions de l'organisme commandées inconsciemment.

Jusqu'à présent, outre la lumière, c'est surtout la noradrénaline, connue comme l'hormone du stress, et son système de récepteurs qui étaient considérés comme les principaux responsables du contr?le de la taille des pupilles. Les scientifiques de l'ETH ont maintenant pu montrer que ce r?le revenait plut?t au neurotransmetteur orexine et à son système de récepteurs. En effet, les neurones à noradrénaline ne peuvent pas maintenir l'état normal de la pupille sans les neurones à orexine. Si le système de l'orexine est désactivé, les pupilles restent dans un état de rétrécissement. "Les neurones à noradrénaline sont quasiment les esclaves des neurones à orexine", résume le professeur de l'ETH Denis Burdakov en exagérant les rapports de dépendance.

Lien avec la narcolepsie

Dans leurs expériences, les chercheurs ont en outre mis en évidence une relation dose-dépendante entre l'activité des cellules nerveuses et le diamètre de la pupille. "Les pupilles nous montrent exactement à quel point les neurones à orexine de l'hypothalamus sont actifs", explique Burdakov.

Les chercheurs sur le cerveau ne sont pas les seuls à disposer d'une nouvelle possibilité de mesure de l'activité de l'orexine. En médecine aussi, cela ouvre de nouvelles perspectives. On conna?t depuis longtemps le lien entre un trouble de la régulation de l'orexine et la narcolepsie, la maladie du sommeil. S'y ajoutent depuis peu des liens observés avec d'autres maladies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux et le syndrome de Prader-Willi congénital. Dans ce dernier, un dysfonctionnement du diencéphale, dont fait partie l'hypothalamus, entra?ne de graves sympt?mes physiques, cognitifs et métaboliques.

Les quatre pathologies ont en commun l'apparition d'un trouble du sommeil. Des examens de la taille des pupilles permettraient à l'avenir d'étudier plus précisément l'influence de l'orexine sur ces maladies et peut-être aussi de simplifier et d'améliorer le diagnostic, selon Burdakov. Pour diagnostiquer la narcolepsie, une intervention chirurgicale sous forme de ponction du canal rachidien est encore nécessaire aujourd'hui.

Porte d'entrée pour comprendre la régulation de la conscience

Mais en tant que neuroscientifique, Grujic considère surtout sa découverte comme la clé d'une meilleure compréhension de la régulation des fonctions centrales de notre conscience. "L'équilibre entre la concentration attentive sur ce qui est connu et le vagabondage exploratoire de la pensée est central pour notre capacité à nous adapter à de nouvelles situations", explique le chercheur. La fréquence et la diversité des troubles de l'attention diagnostiqués aujourd'hui montrent à quel point la gestion de cet équilibre est difficile.

L'orexine est l'un des nombreux systèmes neuromodulateurs (les autres étant la noradrénaline et la sérotonine) qui contr?lent cet équilibre. Ces systèmes déplacent l'équilibre dans une direction ou une autre en fonction des besoins de l'organisme. Au début du développement humain, par exemple, les chasseurs-cueilleurs affamés devaient laisser leur attention vagabonder pour découvrir une source de nourriture. Une fois qu'ils avaient trouvé une récompense sous la forme de quelque chose de comestible, ils devaient se concentrer sur l'environnement afin de pouvoir peut-être apercevoir encore plus de cette nourriture. Et lorsque les premiers hommes étaient rassasiés, ils pouvaient orienter leur instinct d'exploration vers d'autres besoins que la nourriture.

Sous-groupes de neurones pour des fonctions spécifiques

Le groupe de recherche de Burdakov a pu déterminer, au sein des neurones à orexine, des sous-groupes qui sont impliqués dans différentes fonctions neurales et donc dans différentes composantes de cet équilibre. Pour ce faire, les scientifiques ont suivi la réaction de certains neurones à orexine de souris à l'aide d'une forme spéciale de microscopie à fluorescence et l'ont comparée à la modification de l'ouverture de la pupille. La microscopie à deux photons permet d'observer l'activité de cellules individuelles à l'intérieur du cerveau.

Les chercheurs ont notamment trouvé des neurones dont l'activité était positivement corrélée à la taille de la pupille et donc à l'état d'excitation de la souris, et d'autres dont l'activité était négativement corrélée. A cela s'ajoutaient des cellules qui influen?aient à la fois la taille des pupilles et réagissaient aux récompenses, tandis que d'autres n'étaient liées qu'à l'un des deux facteurs.

Contr?le supérieur de notre conscience

Cette identification de sous-groupes spécialisés au sein des neurones à orexine fournit un premier aper?u de la manière dont ces fonctions centrales pour notre conscience sont c?blées dans le cerveau. L'orexine, avec son influence sur de nombreux états comportementaux différents - de l'attention à l'état de veille-sommeil, en passant par la récompense, l'appétit et la consommation d'énergie - est en outre un bon candidat pour leur contr?le supérieur, comme le dit Grujic.

Les résultats obtenus par les scientifiques de l'ETH ont ouvert la porte à de nombreuses autres questions de recherche, comme l'identification d'autres sous-groupes de neurones ou leurs interactions entre eux et avec les systèmes de sérotonine et de noradrénaline. Les chercheurs estiment que les réponses à ces questions permettront non seulement de mieux comprendre le contr?le de nos fonctions vitales, mais aussi d'améliorer la qualité de vie des patients. Par la suite, le diagnostic et le traitement des troubles de l'attention et du sommeil et des maladies qui leur sont liées devraient également en bénéficier. Et comme le suggèrent les exemples de la maladie d'Alzheimer et des accidents vasculaires cérébraux, ces derniers sont plus nombreux qu'on ne pourrait le penser à première vue.