L’Académie des sciences poursuit sa série de podcasts, en partenariat avec Canal Académies, consacrée aux biologistes qui font, transmettent ou racontent la science. Au micro, Étienne Ghys, l’un de ses deux secrétaires perpétuels. Cortex Média a retranscrit ces échanges, à lire ci-dessous.
Neurobiologiste et médecin de formation, Antoine Triller étudie depuis des décennies la manière dont les neurones communiquent entre eux. Face à Étienne Ghys, il raconte ce qu’est une synapse, cet espace minuscule où tout se joue en une fraction de milliseconde.
De la querelle entre Golgi et Ramón y Cajal aux boîtes quantiques qui ont renouvelé sa propre recherche, il retrace un siècle et demi de découvertes sur le cerveau — jusqu’à cette différence, discrète mais décisive, entre une synapse humaine et une synapse de moustique.
Étienne Ghys : Antoine, pouvez-vous vous présenter rapidement ?
Antoine Triller : Je suis neurobiologiste, médecin de formation — croyant mais non pratiquant, dans la médecine. Je suis chercheur et j’étudie les mécanismes fondamentaux de la communication neuronale, c’est-à-dire comment les neurones communiquent entre eux.
Étienne Ghys : Avant d’aller plus loin, qu’est-ce qu’un neurone ? Comment fonctionne notre cerveau ?
Antoine Triller : Notre cerveau fonctionne avec des neurones et avec beaucoup d’autres cellules, au moins aussi nombreuses. Le neurone est l’unité qui permet la formation des réseaux neuronaux. Les neurones communiquent grâce à des prolongements : l’axone, plutôt émetteur, et les dendrites, plutôt récepteurs. Ces prolongements se connectent au niveau de ce qu’on appelle la synapse.
Étienne Ghys : Quelle est l’étymologie de ce mot ?
Antoine Triller : Synapse, c’est l’articulation entre deux objets — une étymologie grecque qui désigne une articulation au niveau d’un contact.
Étienne Ghys : Ce contact est-il directionnel ?
Antoine Triller : Il y a deux sortes de synapses. Les synapses chimiques, où le signal va de A vers B, et les synapses dites électriques, qui sont en réalité des espèces de canaux entre les deux éléments et qui fonctionnent dans les deux sens.
Étienne Ghys : Donnez-nous quelques ordres de grandeur.
Antoine Triller : Une synapse fait à peu près un micron de diamètre. Un cerveau humain tient dans un peu plus d’un litre — le volume de deux bordelaises — et contient environ dix puissance onze neurones, soit cent milliards : à peu près le même nombre que d’objets célestes dans notre galaxie. Et le nombre de synapses est d’environ dix puissance quinze. Ce sont des nombres considérables, qui montrent que n’importe quel neurone est à moins de cinq connexions de n’importe quel autre, tant la connectivité est forte.
Étienne Ghys : Ce réseau est-il aléatoire ou structuré ?
Antoine Triller : Il est très structuré, mais avec, à l’intérieur de cette structure, une très grande variabilité au niveau microscopique. Malgré cette variabilité, on observe des fonctionnements extraordinairement stéréotypés. C’est un phénomène mal compris, très étudié, qu’on commence seulement à mieux comprendre grâce à des techniques d’enregistrement qui se sont considérablement améliorées.
Étienne Ghys : Un rapide historique : quand a-t-on commencé à comprendre comment ça marchait ?
Antoine Triller : L’idée d’une matérialité de l’esprit était déjà présente chez les Égyptiens et chez les Grecs. Il y a eu ensuite Descartes et son fluide animal se propageant dans les axones jusqu’à la glande pinéale, censée jouer le rôle de siège de l’âme. Mais le vrai bouleversement a lieu au XIXe siècle, avec deux personnalités absolument cruciales.
Le premier est un anatomiste espagnol, Santiago Ramón y Cajal. Il existait deux théories des neurones : la théorie réticulaire, selon laquelle les cellules formaient un filet connecté sans espace de discontinuité, et la théorie neuronale, selon laquelle les neurones sont des entités individuelles connectées entre elles par des synapses, formant des réseaux. Ramón y Cajal a compris, dans des réseaux très complexes, le sens de propagation de l’influx nerveux — il dessinait de petites flèches.
Étienne Ghys : Comment a-t-il procédé ?
Antoine Triller : De manière extraordinairement intelligente : il a regardé les organes périphériques, l’œil, l’oreille. Dans l’œil, la lumière arrive par là, donc voilà le premier neurone ; et ainsi de proche en proche jusqu’au cortex. Il a déduit de la structure morphologique quel élément était récepteur — le dendrite — puis le soma, puis l’axone, l’élément conducteur qui va vers l’élément émetteur, la synapse. Et donc il comprend des réseaux entiers, sans même ouvrir le cerveau — en faisant des coupes et en observant au microscope, grâce à une technique inventée par Camillo Golgi.
Golgi avait mis au point une coloration qui a permis ces observations, mais il était lui-même réticulariste, opposé à la théorie neuronale. Le prix Nobel, qui ne voulait visiblement pas se tromper, l’a attribué aux deux hommes la même année, en 1905. Cajal comprend le sens de propagation de l’influx nerveux ; à la même époque, sans parler encore de « synapses » mais d’« articulations utiles entre neurones ». C’est un physiologiste, Sherrington, qui comprend qu’il y a bien une connexion et qui l’appelle synapse — même si, pour lui, le mot désignait l’ensemble de la connexion entre deux neurones, avec ses arborescences. Aujourd’hui, on appelle synapse le seul contact individuel.
Étienne Ghys : Concrètement, qu’est-ce qu’une synapse ? Un espace vide entre deux neurones, rempli de neurotransmetteurs ?
Antoine Triller : L’espace entre les deux neurones fait à peu près quarante à cinquante nanomètres. Dans le neurone émetteur, il y a des vésicules qui contiennent le neurotransmetteur, fabriqué à l’intérieur du neurone par un processus complexe et bien étudié. Quand une activité arrive dans l’axone jusqu’à cette terminaison, la vésicule s’ouvre, libère le neurotransmetteur, qui agit sur des récepteurs situés de l’autre côté. Tout cela se produit en un peu moins d’une milliseconde.
Cela peut sembler rapide, mais un ordinateur qui fonctionnerait sur une base d’une milliseconde serait un ordinateur qui ne marcherait pas — ce qui montre déjà que la comparaison entre le cerveau et un ordinateur n’a aucun sens, cela ne marche pas du tout comme ça. L’ouverture de la vésicule, côté présynaptique, est un phénomène probabiliste : tout ou rien, zéro ou un. Le transmetteur diffuse ensuite et a une certaine probabilité de se lier au récepteur, qui a lui-même une probabilité de s’ouvrir et de laisser passer des ions, permettant la propagation de l’influx nerveux d’une cellule à l’autre. C’est donc une succession d’événements probabilistes : l’ensemble des réseaux sont, en réalité, des machines probabilistes.
Étienne Ghys : Dites-moi en quelques mots ce que vous avez fait, et surtout ce que vous aimeriez faire.
Antoine Triller : Beaucoup de choses sur la synapse, guidées par une seule idée et beaucoup d’opportunités. La première chose que j’ai découverte, c’est que les récepteurs — le côté post-synaptique — sont accumulés devant la zone de libération des neurotransmetteurs. J’ai d’abord beaucoup étudié les probabilités de libération, les lois binomiales qui les régissent, puis je me suis intéressé au côté récepteur : j’ai vu que les récepteurs avaient une localisation très précise en face des zones de libération. C’était vers 1985.
Étienne Ghys : Cela paraît pourtant logique que le récepteur soit en face de l’émetteur ?
Antoine Triller : Jusqu’en 1985, le modèle de référence était celui de la jonction neuromusculaire. Mais on aurait pu imaginer un système où les récepteurs n’ont aucune localisation précise, et où seul l’émetteur, lui, est précis et s’active en face de récepteurs qui se trouvent là par hasard. Ce n’était donc pas une évidence, et cela a des conséquences importantes : quel est le mécanisme qui accumule les récepteurs à cet endroit précis ? Je me suis intéressé à cette question, j’ai découvert des molécules impliquées, puis j’ai voulu savoir comment le récepteur, une fois fabriqué dans la cellule, est amené jusqu’à la membrane. Je me suis rendu compte qu’il n’était jamais inséré directement en face de la zone de libération : il doit donc diffuser dans la membrane pour y arriver.
J’ai travaillé sur ces phénomènes de diffusion, d’abord avec des approches physiques, avec Daniel Choquet, en utilisant des pinces magnétiques et de petites billes de latex accrochées au récepteur. C’était très indirect : cela démontrait la nature du phénomène, mais ne permettait pas de l’analyser réellement.
Étienne Ghys : Et c’est là qu’intervient la rencontre avec les boîtes quantiques ?
Antoine Triller : Oui. Un samedi matin, un physicien de l’École normale m’appelle : un jeune chercheur qui revient de post-doc, Maxime Dahan, élève de Cohen-Tannoudji, s’intéresse à la biologie. Je lui dis de venir me voir. En discutant, je m’aperçois qu’il vient d’un laboratoire de la côte est des États-Unis qui avait publié, quinze jours plus tôt, un article resté sur mon bureau — un article dont je me demandais comment j’allais pouvoir utiliser l’outil qu’il décrivait, sans que Maxime lui-même en soit signataire.
Il s’agissait de boîtes quantiques : de petites nanoparticules d’une dizaine de nanomètres, aux propriétés optiques particulières — elles émettent beaucoup de lumière et clignotent. Ce clignotement est très important : si on voit le clignotement, c’est qu’il n’y en a qu’une, car sinon les clignotements seraient asynchrones et on verrait une lumière continue. On a utilisé ce système et fait un article en moins d’un an — un article très cité, où l’on a réussi à coupler ces nanoparticules aux récepteurs eux-mêmes, à les voir diffuser, et à caractériser cette diffusion.
Étienne Ghys : Qu’avez-vous découvert ?
Antoine Triller : Que le récepteur diffuse et ne reste pas longtemps dans la région post-synaptique, alors que, lorsqu’on l’observe, on voit une accumulation. C’est un peu comme les Champs-Élysées vus d’avion : il y a des vitrines attractives où les gens s’arrêtent et se regroupent. Si l’on photographie la scène à deux moments différents, on a l’impression que c’est toujours le même attroupement, alors que ce ne sont pas les mêmes personnes. C’est un phénomène statistique qui donne l’impression que ce nombre reste fixe, alors qu’il peut, dans certaines conditions, augmenter — c’est ce qui se passe dans l’apprentissage — ou diminuer, quand la synapse est moins active. C’était un nouveau mécanisme. Tout mon travail est autour de cela ; je pourrais en parler indéfiniment.
Étienne Ghys : Ce sera pour une autre fois. Une dernière question : la synapse humaine est-elle significativement différente de celle d’un moustique ?
Antoine Triller : Il y a deux réponses. Non, si l’on s’en tient au mécanisme fondamental de fonctionnement que je viens de décrire. Et oui, parce qu’on sait que, juste après l’Pithécanthrope, sont apparues des mutations particulières qui font que la synapse humaine ne se développe pas comme chez d’autres animaux — une souris, un rat, un chimpanzé. La synapse humaine garde des propriétés qu’on pourrait qualifier de néoténiques, c’est-à-dire des capacités que l’on trouve chez les jeunes enfants ou les jeunes singes : elle garde une capacité à être plastique, une capacité d’apprentissage beaucoup plus profonde. Un certain nombre de mutations ont été identifiées dans la lignée des hominidés — des mutations complexes, pas un simple changement d’acide aminé, mais des coupures qui produisent des dominants négatifs. Alors oui : une synapse d’homme n’est pas une synapse de singe — ni de moustique.
