Neurosciences/La substance blanche

La substance blanche comprend certes des axones isolés, qui relient des aires cérébrales proches entre elles, mais pas seulement. Si la plupart des axones sont relativement courts, il existe quelques fibres myélinisées très longues qui permettent à des aires cérébrales distantes de communiquer entre elles. Les fibres longues ne représentent que quelques pourcents de la substance blanche totale, la majorité des connexions cérébrales étant locales, de courte portée. La proportion de fibres longues varie cependant avec l'âge, avec une augmentation assez marquée lors du développement et une relative diminution lors du vieil âge. Les fibres longues forment de véritables nerfs cérébraux, qui portent le nom de faisceaux (le terme nerf est réservé au système nerveux périphérique).

Le cerveau contient de nombreux faisceaux, aussi bien des fibres courtes que longues. Les chercheurs ont depuis longtemps tenté de cartographier les fibres/faisceaux, afin d'étudier la connectivité cérébrale. Les techniques pour cela sont peu nombreuses, sans compter que leur fiabilité n'est pas toujours parfaite : chaque individu a quelques différences idiosyncratiques, sans doute liées à l'apprentissage). Quoi qu’il en soit, une cartographie complète des connexions entre aires cérébrales d'un individu forme ce qu'on appelle un connectome. Si celui-ci est assez mal connu pour les petites fibres, les grands faisceaux sont depuis longtemps étudiés et sont bien connus. Les recherches anatomiques ont établi la présence de certains faisceaux majeurs, présents chez tout être humain. Les faisceaux les plus connus sont illustrés dans le schéma ci-dessous.

Faisceaux majeurs du cerveau humain.

La classification anatomique des faisceaux cérébraux

Si la distinction entre fibres longues et courtes est assez arbitraire, on peut cependant classer les fibres selon plusieurs critères. La première distinction est celle entre les faisceaux internes au cortex cérébral et ceux qui relient le cortex avec le reste du cerveau. Suivant ce critère, les faisceaux cérébraux peuvent se classer en trois grands types : les fibres inter-hémisphériques, d'association et de projection. Ces termes semblent barbares, mais leur signification est transparente.

Certains faisceaux relient des morceaux de cortex, ils ne sortent pas du cortex et ne forment aucune synapse avec les structures sous-corticales. Ces faisceaux sont appelés des faisceaux intra-corticaux. À l'opposé des faisceaux intra-corticaux, les faisceaux de projection connectent le cortex cérébral au reste du système nerveux. Généralement, ils connectent le cortex cérébral à des structures non-corticales, comme le thalamus ou le tronc cérébral. Par exemple, les connexions entre le thalamus et le cortex cérébral sont des faisceaux de projection. Pareil pour les faisceaux qui relient le cortex au tronc cérébral, comme le faisceau cortico-pontique, qui relie le cortex au pont de Varole.

Les faisceaux intra-corticaux sont classés en deux types : ceux qui restent dans un hémisphère et ceux qui connectent deux hémisphères différents. Les premiers sont appelés des faisceaux d'association, alors que les seconds sont appelés des faisceaux inter-hémisphériques. Les faisceaux inter-hémisphériques relient les deux hémisphères cérébraux entre eux. Les fibres d'associations restent dans leur hémisphère de naissance et permettent à des aires d'un même hémisphère de communiquer.

Les fibres de projection relient le cortex cérébral au reste du système nerveux. Ce sont essentiellement des fibres motrices ou sensorielles. Les premières naissent dans le cerveau, mais en sortent : ce sont des fibres motrices. Les fibres sensorielles prennent naissance dans la moelle épinière ou dans le SNP, mais rentrent dans le cerveau. Les fibres de projection les plus connues sont clairement les radiations acoustiques et optiques, des prolongements des nerfs optiques et auditifs dans le cerveau. On pourrait aussi citer les faisceaux pyramidaux, qui transmettent certaines commandes motrices vers la moelle épinière.

Faisceaux intra-corticaux		Faisceaux qui restent dans le cortex cérébral
	Faisceaux d'association	Faisceaux internes à un hémisphère
	Faisceaux inter-hémisphériques	Faisceaux qui relient les deux hémisphères
Faisceaux de projection		Faisceaux qui connectent le cortex cérébral au reste du système nerveux
	Faisceaux de projection efférents	Faisceaux qui naissent dans le cortex cérébral et en sortent
	Faisceaux de projection afférents	Faisceaux qui naissent en dehors du cortex cérébral et s'y connectent

Classification des fibres de la substance blanche cérébrale.

Les faisceaux de projection

Illustration de quelques faisceaux de projection, avec le faisceau pyramidal en bleu et la radiation thalamique en violet. Le corps calleux, qui est en rouge, n'est pas un faisceau de projection, formellement parlant.

Les faisceaux de projection sont des faisceaux de longue-portée qui connectent des aires cérébrales très distantes. Les plus communs connectent le cortex cérébral à des régions sous-corticales, comme le thalamus, la moelle épinière, le tronc cérébral, etc. On distingue plusieurs faisceaux de projection, les plus importants étant le faisceau pyramidal et la radiation thalamique. On distingue les faisceaux efférents des afférents : les faisceaux efférents sortent du cortex, alors que les afférents y rentrent. Naturellement, les faisceaux efférents transmettent des commandes motrices à la moelle épinière ou aux régions sous-corticales, alors que les faisceaux afférents transmettent des perceptions sensorielles. Les faisceaux efférents principaux sont les suivants.

Les faisceaux de projection afférents naissent en dehors du cortex cérébral, soit dans le tronc cérébral, soit dans le diencéphale. Les faisceaux de projection thalamiques naissent dans le thalamus et innervent généralement le cortex cérébral. D'où leur nom de radiations thalamiques, ou encore de radiations thalamico-corticales. D'autres faisceaux de projection sortent non pas du thalamus, mais de l'hypothalamus. Ils sont peu nombreux, mais quelques-uns ont une importance capitale pour les fonctions cognitives de haut-niveau. Enfin, les faisceaux de projection qui naissent dans le tronc cérébral sont eux aussi très importants.

Les faisceaux de projection efférents

Les faisceaux de projection efférents naissent dans le cortex, mais en sortent.

Faisceau cortico-spinal.

Le faisceau pyramidal est un faisceau moteur qui relie le cortex moteur à la moelle épinière et à quelques structures du bulbe rachidien (myélencéphale). Il prend naissance au niveau des motoneurones du cortex frontal (et plus précisément dans les cortex moteurs et prémoteurs). Il se subdivise en deux sous-faisceaux aux points d'arrivée différents, le premier innervant la moelle épinière et l'autre le bulbe rachidien. Leurs points de départ et d'arrivée est d'ailleurs ce qui leur vaut les noms respectifs de faisceaux corticospinal et corticobulbaire (cortico pour dire qu'ils partent du cortex, spinal et bulbaire pour dire qu'ils arrivent dans la moelle épinière ou le bulbe). Le faisceau cortico-bulbaire, qui relie le cortex au bulbe rachidien, est illustré ci-dessous. Le faisceau cortico-spinal est quant à lui illustré ci-contre.

Faisceau cortico-bulbaire.

Faisceau cortico-bulbaire (reconstruction).

Le faisceau cortico-pontique relie le cortex cérébral à divers noyaux présents dans le pont cérébral (métencéphale). Il s'agit d'un regroupement d'axones (on dit aussi de fibres) qui naissent dans le cortex cérébral. Ces fibres proviennent de nombreux lobes cérébraux, avec une prédominance dans le lobe frontal et le lobe pariétal, bien que les lobes temporaux et occipitaux aient aussi leur part. Fait intéressant, les fibres des différents lobes ne sont pas mélangées n'importe comment dans le faisceau : les fibres provenant d'un même lobe restent ensemble. Cela fait que l'on peut subdiviser le faisceau corticopontique en quatre fibres sous-jacentes : les fibres frontopontines, les fibres parietopontines,les fibres temporopontines et les fibres occipitopontines. Ces différentes fibres n’atterrissent pas au même endroit dans le pont, mais font synapse chacune avec quelques noyaux spécialisés.

Faisceau fronto-pontique.

Faisceau pariéto-pontique.

Faisceau temporo-pontique.

Faisceau occipito-pontique.

Faisceaux cortico-striataux.

Les faisceaux cortico-striataux relient le cortex cérébral au striatum. De manière générale, le cortex cérébral et les ganglions de la base sont fortement interconnectés, par l'intermédiaire du thalamus. Les circuits neuronaux des ganglions de la base sont cependant assez complexes, avec beaucoup de faisceaux, d'afférences et d'efférences. Aussi, nous les aborderons dans le chapitre dédié aux ganglions de la base.

Les radiations thalamiques

Radiations thalamico-corticales.

Parmi les faisceaux qui ne sont pas intra-corticaux, les radiations thalamiques sont de loin les plus importantes. Comme leur nom l'indique, elles partent du thalamus et innervent le cortex cérébral. Il en existe plusieurs, qui se distinguent par leur point de départ et leur point d'arrivée. Par point de départ, on veut parler du noyau thalamique d'où sortent chaque faisceau. Rappelons que le thalamus est composé de plusieurs noyaux distincts, qui peuvent chacun émettre leurs propres faisceaux thalamico-corticaux. De plus, rappelons que les noyaux thalamiques sont regroupés en trois structures anatomiques assez bien délimitées : les thalamus latéral, antérieur et médian. Vient ensuite la question du point d'arrivée, à savoir des régions innervées par les radiations thalamiques. La plupart innervent les cortex sensoriels, notamment le cortex occipital. Mais il existe des radiations qui innervent le lobe frontal, aussi bien dans le cortex moteur que dans le cortex cognitif (préfrontal).

Les deux radiations thalamiques les plus importantes sont les suivantes.

• Les radiations optiques sont des faisceaux qui partent du thalamus et innervent le lobe occipital. Elles sortent plus précisément du corps genouillé latéral du thalamus et atterrissent dans les premières couches du cortex visuel (les couches V1/V2). Elles ont un rôle à jouer dans la vision, à savoir qu'elles transmettent les informations visuelles au lobe occipital. On peut les voir, bien que ce soit excessivement simplifié, comme un prolongement du nerf optique, un second relai dans les voies visuelles. Le nerf optique part des yeux et se connecte au corps genouillé latéral du thalamus, puis les radiations optiques connectent ce dernier au cortex visuel du lobe occipital.
• Les radiations acoustiques, comme leur nom l'indique, partent du thalamus pour innerver le cortex auditif. Elles partent du corps genouillé médian du thalamus et innervent le lobe temporal (les aires auditives, pour être précis). Le corps genouillé médian est un relai neuronal pour les informations auditives, tout comme le corps genouillé latéral l'est pour les informations visuelles.

Radiations optiques.

Radiations acoustiques.

De nombreuses radiations thalamiques innervent le cortex, qui renvoie en retour des axones en direction du thalamus. L'ensemble forme des boucles, des circuits fermés entre thalamus et cortex. De telles boucles sont appelées des boucles thalamico-corticales.

Les voies monoaminergiques et cholinergiques

De nombreux faisceaux afférents sont classés selon le neurotransmetteur utilisé par les neurones du faisceau, ce qui leur donne les noms de voies dopaminergiques, sérotoninergiques, noradrénergiques, etc. De tels faisceaux, qui n'émettent qu'un seul type de neurotransmetteur, sont cependant assez peu nombreux comparés aux autres. Ils naissent systématiquement en dehors du cortex cérébral, dans un ou plusieurs noyaux bien précis. Chaque noyau à l'origine d'un tel faisceau contient des neurones spécifiques à un neurotransmetteur. Par exemple, pour une voie dopaminergique, tous les neurones du noyau n'émettent que de la dopamine. De tels noyaux ne se trouvent que dans l'hypothalamus ou le tronc cérébral, ainsi que dans le télencéphale basal. Presque tous innervent le cortex cérébral, les exceptions étant rares.

Les voies sérotoninergiques

Les voies sérotoninergiques naissent dans le tronc cérébral, au niveau des noyaux du Raphé. Pour rappel, ces noyaux sont des noyaux sérotoninergiques qui font partie du système réticulaire ascendant, un ensemble de noyaux impliqués dans l'état de veille et la conscience. Les voies sérotoninergiques sortent de ces noyaux et innervent un grand nombre de structures cérébrales : hypothalamus, amygdale, hippocampe, cortex cérébral, noyaux du tronc cérébral, moelle épinière, etc. En faire la liste serait très compliqué. Quoi qu’il en soit, le grand nombre de cibles de ces voies nous dit que la sérotonine a beaucoup de rôles physiologiques distincts. Cela va de l'état de veille, au sommeil, en passant par l'humeur, la cognition, la mémoire, l'appétit, la sexualité, etc.

Voies sérotoninergiques.

Voies sérotoninergiques - 2.

Les voies noradrénergiques

Locus coerulus.

Les voies noradrénergiques sont un ensemble de fibres de longue portée qui émettent de la noradrénaline. Elles jouent un rôle primordial dans de nombreuses fonctions cognitives et émotionnelles. Elles prennent naissance au niveau de deux structures anatomiques : le locus coerulus et le tegmentum. Le locus coerulus, un noyau noradrénergique du métencéphale (du pont de Varole). Les voies sortant du locus coerulus sont illustrés ci-contre. On voit qu'elles innervent la moelle épinière, le cervelet, le tronc cérébral, le thalamus, l'hypothalamus et une grande partie du cortex cérébral, ainsi que l'amygdale et l'hippocampe.

Ce système est impliqué dans diverses fonctions physiologiques. En premier lieu, il est impliqué dans la peur, l'anxiété, les émotions négatives. Il est aussi impliqué dans les fonctions cognitives, comme l'attention, la vigilance, la mémoire de travail et diverses fonctions de contrôle cognitif de haut-niveau. Il a aussi une action sur des paramètres végétatifs, comme la respiration, le contrôle du rythme cardiaque, la satiété, le rythme circadien et l'état d'éveil. Lorsqu'il s'active, le sujet devient plus anxieux, mais aussi plus alerte et plus réactif. L'effet du système noradrénergique sur la peur et l'anxiété vient sans doute de ses connexions avec l'amygdale, le centre de la peur du cerveau. L'effet sur la cognition et l'état d'alerte passe certainement par ses liaisons avec le cortex cérébral. Les réactions végétatives sont quant à elle dépendantes de l'hypothalamus et des liaisons avec le tronc cérébral.

Les voies dopaminergiques

Les voies dopaminergiques regroupent plusieurs voies distinctes, certaines naissant dans le tronc cérébral et d'autres dans l'hypothalamus. Il en existe un grand nombre, au moins huit, mais nous allons seulement parler des quatre principales.

Les deux premières voies dopaminergiques naissent dans l'aire tegmentale ventrale, un noyau dopaminergique du tronc cérébral qui émet deux faisceaux en direction d'aires cérébrales distinctes. Le premier faisceau innerve diverses portions du cortex cérébral (une partie du télencéphale), d'où son nom de voie mésocorticale. Le second innerve le noyau accumbens, un noyau du télencéphale qui prend en charge la gestion de la motivation et du plaisir, et porte le nom de voie mésolimbique. D'autres faisceaux innervent l'hippocampe ou l'amygdale, deux structures diencéphaliques que nous aborderons bientôt. Nous détaillerons ces voies dopaminergiques dans le chapitre sur le plaisir et la motivation. Tout ce que l'on peut dire pour le moment est que la voie mésocorticale serait impliquée dans la cognition et la régulation des émotions, alors que la voie mésolimbique serait impliqué dans le plaisir, la motivation, le conditionnement opérant et l'apprentissage par renforcement.

La voie nigrostriée est impliquée dans la maladie de Parkinson. Elle nait au niveau de la substance noire, un noyau dopaminergique du tronc cérébral, et se termine dans les ganglions de la base (plus précisément, dans le striatum). Elle joue un rôle dans le fonctionnement normal des ganglions de la base, ce qui lui donne un rôle dans l'initiation des mouvements/actions et leur sélection.

Voies mésolimbique (en rouge) et mésocorticale (en violet).

Ce dessin montre les voies mésocorticale, mésolimbique et nigrostriée.

Les voies histaminergiques

Les voies histaminergiques naissent dans un noyau de l'hypothalamus et innerve un grand nombre d'aires cérébrales différentes. Elle se forme dans le noyau tubéro-mamillaire de l'hypothalamus, un noyau riche en neurones histaminergiques. Les fibres de cette voie innervent : le cortex cérébral, l'hippocampe, l'amygdale, les ganglions de la base et d'autres noyaux (dont certains dans l'hypothalamus). Le rôle de cette voie est assez mal connu. On suppose qu'elle a un rôle dans la cognition et la mémoire, du fait des connexions avec le cortex cérébral et l'hippocampe, ainsi qu'un rôle dans le sommeil, mais force est de constater que l'on sait peu de choses à ce sujet. On sait cependant que les anti-histaminiques sont des somnifères, des anxiolytiques et qu'ils entrainent de légers déficits mnésiques et cognitifs temporaires (qui disparaissent avec l'arrêt du traitement). D'où un lien avec l'état de veille, l'anxiété et les fonctions cognitives.

Les voies cholinergiques

Les voies cholinergiques sont impliquées dans l'état de veille et le sommeil paradoxal (pour simplifier, la phase de sommeil durant laquelle on rêve).

Elles naissent dans divers noyaux du tronc cérébral et du télencéphale. Dans le tronc cérébral, le plus important est le noyau pédiculopontique, un noyau qui émet de l'acétylcholine dans l'ensemble du cerveau. Mais d'autres noyaux cholinergiques sont présents dans le tronc cérébral, et eux aussi innervent le reste du cerveau. À cela, il faut ajouter divers noyaux du télencéphale, situés en dehors du cortex. Ces noyaux forment ce qu'on appelle le télencéphale basal, un regroupement de noyaux cholinergiques, dont le plus important est le noyau basal de Meynert. L'anatomie des voies cholinergiques est donc assez compliquée.

Les voies cholinergiques innervent le cervelet, le cortex cérébral, le thalamus et l'amygdale. Les voies qui naissent dans le télencéphale basal innervent presque exclusivement le cortex cérébral. Les voies du tronc cérébral innervent le thalamus, le cervelet et le cortex (mais dans une moindre mesure). L'ensemble est illustré ci-dessous.

Voies cholinergiques.

Les faisceaux inter-hémisphériques

Les fibres les plus importantes sont les faisceaux inter-hémisphériques, qui relient entre eu les deux hémisphères cérébraux. Ces fibres inter-hémisphériques vont donc traverser le sillon inter-hémisphérique. Ces fibres sont assez peu nombreuses, au nombre de cinq. La plus importante d'entre elle est de loin le corps calleux, une fibre posée sur le diencéphale. Mais le corps calleux n'est pas la seule fibre inter-hémisphérique : la commissure antérieure et la commissure postérieure, le fornix (aussi appelé commissure hippocampale) et la commissure habénulaire. La commissure antérieure relie les aires olfactives des deux hémisphères, le fornix relie entre eux les deux hippocampes, et la commissure habénulaire relie les deux habénulas.

La commissure antérieure

La commissure antérieure relie les deux lobes temporaux controlatéraux, au niveau des régions olfactives. Elle passe un peu au-dessus des parois du troisième ventricule. Elle connecte entre eux les régions olfactives et visuelles des deux hémisphères. Au niveau des aires visuelles, elle connecte entre eux les lobes occipitaux des deux hémisphères. Pour les régions olfactives, elle connecte les bulbes olfactifs et les cortex piriformes des deux hémisphères. Précisément, elle reçoit des axones en provenance du noyau olfactif ipsilatéral, et envoie ces axones au cortex piriforme (olfactif) controlatéral. Le tout permet de connecter le bulbe olfactif ipsilatéral au cortex olfactif controlatéral, par le relai du noyau olfactif antérieur.

Localisation de la commissure antérieure.

Commissure antérieure en orange, fibres/axones sont en vert. Elle connecte entre eux les régions olfactives temporales, les lobes occipitaux et les deux cortex orbitofrontaux.

Le Fornix

Le fornix est une commissure qui relie entre eux les deux hippocampes et les deux corps mamillaires. Pour rappel, les hippocampes sont deux structures du lobe temporal médian, qui sont impliquées dans la mémoire. Les corps mamillaires de l'hypothalamus, quant à eux, sont deux noyaux de l'hypothalamus qui sont eux aussi impliqués dans la mémoire. Il existe un hippocampe par hémisphère, de même qu'il y a un corps mamillaire par hémisphère, ce qui fait deux hippocampes et deux corps mamillaires au total. Ils communiquent entre eux par des faisceaux spécialisés du fornix et non par le corps calleux ou les commissures antérieures. Son rôle et de faire communiquer l'hippocampe d'un hémisphère avec l'hippocampe controlatéral, ainsi qu'avec le corps mamillaire ipsilatéral. Il s'agit donc d'une commissure à la fois intra- et inter-hémisphérique. Intrahémisphérique pour la connexion hippocampe -> corps mamillaire ipsilatéral, et inter-hémisphérique pour la liaison hippocampe -> hippocampe controlatéral.

Le fornix est formé par deux structures en forme de C accolées les unes à l'autre, ce qui lui donne une forme de triangle déformé. La forme exacte est illustrée ci-dessous. On voit que l'on peut distinguer, sur cette forme, plusieurs zones distinctes. La première est composée des deux pieds, situées près de l'hippocampe. Ils sont chacun composés de deux sections : la fimbria, située au contact de l'hippocampe, et les crux fornicis accolés au ventricule latéral. Les deux fimbria se regroupent ensuite et se collent, pour former le corps du fornix, situé à son sommet. Enfin, le corps retombe en arrière et se subdivise en deux piliers antérieurs. Ce sont ces deux piliers qui sont connectés aux corps mamillaires. Juste à la limite entre les crus fornicis et le corps du fornix, se trouve une sorte de petit triangle composé de fibres nerveuses. Il s'agit de la commissure inter-hippocampique, qui relie entre eux les deux hippocampes.

Pour résumer, le fornix nait d'axones qui sortent de l'hippocampe au niveau des fimbria et continuent leur trajet à travers le crux fornicis. Certains axones partent dans la commisure inter-hippocampique, afin de rejoindre l'autre hippocampe. Les autres passent par le corps du fornix, avant d'atteindre le pilier et enfin les corps mamillaires.

Le fornix.

Faisceaux en C du fornix.

Le corps calleux

Corps calleux

Le corps calleux est la fibres inter-hémisphérique la plus importante, que ce soit en termes de nombre d'axones ou d'importance scientifique. Il contient environ (les études ne sont pas très précises) 200 millions d'axones, pour la plupart excitateurs. Contrairement aux autres commissures, présentes chez tous les mammifères, le corps calleux est présent uniquement chez les mammifères placentaires. Il est localisé juste au-dessus du diencéphale et semble comme posé sur ce dernier. Juste au-dessus du corps calleux, on trouve le cortex cingulaire et la fissure longitudinale, qui sépare les deux hémisphères. Le cortex cingulaire est séparé du corps calleux par une scissure : la scissure calleuse (Callosal sulcus)

Sous-régions du corps calleux.

Pour l’anecdote, certaines formes très graves d’épilepsies se soignent en sectionnant ce corps calleux, pour limiter l'étendue des crises à un hémisphère. Si la section est totale chez la plupart des patients, certains s'en sortent avec une section partielle qui laisse un peu de connectivité inter-hémisphérique. Les observations sur les patients sans corps calleux (patients split-brain) ont permis d'étudier la répartition de certaines fonctions entre les hémisphères. C'est comme cela que l'on sait que l’hémisphère gauche est plus ou moins spécialisé dans le langage (affirmation simplifiée que nous nuancerons dans les chapitres finaux). Si les lésions totales permettent d'étudier la latéralisation cérébrale (la répartition des rôles dans chaque hémisphère), les sections partielles donnent un aperçu de l'organisation interne du corps calleux. Les études sur les patients partiellement callectomisés semblent indiquer, sans que cela soit parfaitement sûr, que le corps calleux est subdivisé en plusieurs amas de fibres aux fonctions différentes : les unes transmettant des informations tactiles, les autres des informations cognitives, etc.

Dans le détail, on peut identifier en tout 6/7 sous-régions au corps calleux : le genou, le corps antérieur, le corps médian, le corps postérieur, l'isthmus et le splenium. Il est d'usage de regrouper ces six sous-régions selon leur provenance, selon les lobes qu'elles interconnectent. On distingue alors trois régions qui interconnectent respectivement les lobes frontaux, pariétaux/temporaux et occipitaux.:

• en avant, le corps calleux antérieur, qui connecte les lobes frontaux entre eux ;
• au milieu, le corps calleux médian, qui interconnecte les lobes pariétaux et temporaux ;
• vers l'arrière, le corps calleux postérieur qui interconnecte les lobes occipitaux.

Les axones du corps calleux ne connectant pas des lobes identiques, ils ont fatalement des différences assez notables. La plus importante est de loin leur taille, qui varie grandement selon la région du corps calleux. Si on se déplace sur le corps calleux de l'avant vers l'arrière, on voit les axones devenir de plus en plus gros. Les axones les plus gros sont localisés dans le splenium, alors que les plus petits sont localisés dans le genou. Les variations de taille axonale sont continues sur la longueur du corps calleux et il n'y a pas de discontinuité franche, qui délimite les frontières du genou, du splenium et des autres sous-régions. La raison de ce gradient tient dans la nature des informations transmises par le corps calleux. Les fibres du splenium relient les lobes occipitaux et transmettent donc des informations visuelles. Ces informations doivent être traitées très rapidement et leur vitesse de transmission par le corps calleux est primordiale. Les axones en question sont donc très gros (pour rappel, il y a une relation positive entre taille d'un axone et vitesse de transmission). Par contre, les lobes frontaux peuvent se permettre une transmission plus lente, ce qui fait que les axones inter-lobe frontaux du genou sont plus petits. Les axones des portions centrales du corps calleux sont intermédiaires entre les deux cas extrêmes précédents.

Les faisceaux d'association

Faisceaux d'association.

Les faisceaux d'association, intra-hémisphériques, comprennent aussi bien les fibres courtes que longues, mais ces premières sont souvent omises en raison de leur grand nombre. La distinction entre fibres courtes et longues est très importante. Là où les fibres courtes relient des gyrus adjacents, voisins, les fibres longues parcourent une plus grande distance dans le cerveau.

Cette distinction entre fibres courtes et longues recoupe presque parfaitement celle entre fibres intra- et inter-lobes cérébraux. Les premiers sont localisés à l'intérieur d'un lobe du cortex, alors que les derniers connectent des lobes différents. Pour donner un exemple, le faisceau occipito-frontal, qui relie le lobe frontal et le lobe occipital, est un faisceau inter-lobe. Les faisceaux intra-lobes sont souvent plus courts que les faisceaux inter-lobes, bien qu'il y ait des exceptions.

Les fibres d'association courtes (en U)

Les fibres courtes relient des gyrus adjacents. Elles se reconnaissent à leur forme arquée, qui leur vaut le nom de fibres en U.

Fibres courtes, aussi appelées fibre en U. Ces fibres relient des gyrus adjacents.

Les faisceaux d'association longs (inter-lobes)

Les fibres inter-lobes sont assez peu nombreuses, aussi nous n'allons n'en citer que quelques-uns : le faisceau arqué, le cingulum, les faisceaux longitudinaux supérieurs et inférieurs. Dans ce qui va suivre, nous allons voir les faisceaux longs les plus connus. Ceux-ci sont illustrés dans le schéma ci-dessous.

Faisceaux d'association longs inter-lobes principaux.

Les fibres longitudinales dorsales, au nombre de quatre, partent du lobe pariétal ou du lobe temporal, et atterrissent dans lobe frontal. Il est d'usage de diviser ces fibres en deux sous-ensembles : les trois faisceaux longitudinaux supérieurs et le faisceau arqué. Mais attention : tous les auteurs ne sont pas vraiment d'accord avec cette nomenclature et il arrive que ces termes soient utilisés de manière interchangeable. En tout cas, tous ces faisceaux partent du lobe pariétal et arrivent dans le lobe frontal, la seule différence étant que le faisceau arqué est aussi relié au lobe temporal.

Le faisceau uncinate a pour particularité de relier le lobe temporal au lobe frontal. Il relie surtout le lobe temporal médian au cortex préfrontal. Une partie du faisceau arqué relie aussi le lobe temporal au lobe frontal, mais a une plus grande connectivité. Le faisceau arqué relie en effet une bonne partie du lobe temporal antérieur (à l'arrière du lobe temporal), avec le lobe frontal entier. C'est sans doute pour cette raison que le faisceau arqué a souvent été considéré comme plus important que le faisceau uncinate dans la connexion entre lobe temporal et pariétal. Autrefois, les chercheurs considéraient qu'il reliait deux aires cérébrales : l'aire frontale de Broca et l'aire temporale de Wernicke. Ces deux aires étaient autrefois considérées comme les aires du langage : l'aire de Broca était considérée comme l'aire de production du langage alors que l'aire de Wernicke était considérée comme l'aire de sa compréhension. Le faisceau arqué, dans ces anciennes théories, avait un rôle linguistique assez important : il permettait de faire le lien entre compréhension et production. Typiquement, des lésions du faisceau arqué se traduisent par des difficultés de répétition verbale (aphasie de conduction), mais nous détaillerons ce point dans le chapitre sur le langage. Précisons que le faisceau arqué est plus développé chez les humains que les chez les autres primates. Chez l'homme, sa connectivité avec le lobe temporal est bien plus importante que chez les autres primates. Cela aurait un rapport avec le fait que le langage soit plus développé chez l'humain que chez les primates.

Faisceau Uncinate.

Faisceau arqué.

Cingulum.

Le cingulum est un faisceau interne au lobe limbique. Il connecte le lobe temporal médian avec le cortex cingulaire. Il se situe au-dessus du corps calleux, sur lequel il semble apposé. Il fait partie d'un ensemble d'ires cérébrales appelé le circuit de Papez, qu'on pensait autrefois impliqué dans les émotions et la mémoire. Mais aujourd'hui, la pertinence de ce circuit de Papez est débattue et n'est plus vraiment à l'ordre du jour. Cependant, il est admis que le cingulum relie entre elles des aires cérébrales impliquées dans les fonctions intellectuelles, la mémoire et les émotions. Mais on connait assez mal son rôle exact. Les lésions de ce faisceau sont assez rares, ce qui fait qu'on a du mal à comprendre son rôle et celui des aires proches. Quelques rares études l'ont impliqué dans la dépression, les troubles de l'humeur et les fonctions cognitives, mais rien de bien probant.

Le faisceau longitudinal inférieur (Inferior Longitudinal Fasciculus) part du cortex occipital et innerve le lobe temporal. Plus précisément, il relie le cortex extrastrié (une portion du cortex occipital) au lobe temporal antérieur (la partie du lobe temporal qui est la plus proche du lobe occipital). Il connecte donc les aires visuelles au lobe temporal, dont la fonction principale est la mémoire, le langage et l'audition. Le faisceau innerve surtout les aires liées à la mémoire et au langage, ce qui fait qu'on lui donne un rôle dans la reconnaissance et la dénomination des objets. Il permet de faire le lien entre les représentations visuelles, reconnues dans le lobe occipital, et les représentations conceptuelles, stockées dans le lobe temporal. C'est ainsi qu'on peut associer une forme à un objet, que l'on peut nommer ce que l'on voit, etc. Lorsque ce faisceau est lésé, les patients ont du mal à nommer et reconnaitre des objets, formes et autres stimulus. Par exemple, ils peuvent perdre leur capacité à reconnaitre les visages, ne plus reconnaitre les objets du quotidien, etc.

Le faisceau occipito-frontal relie le cortex occipital au cortex frontal, comme son nom l'indique.

Faisceau longitudinal inférieur.

Faisceau occipito-frontal.

Les maladies liées à la substance blanche

Les maladies qui touchent la substance blanche peuvent avoir des conséquences particulièrement graves, si les lésions sont assez importantes. Et les conséquences ne sont pas les mêmes selon les fibres lésées : léser une fibre de projection n'a pas la même conséquence qu'une lésion des fibres inter-hémisphériques. Les lésions intra-hémisphériques pures sont rares et sont souvent associées à la sclérose en plaque ou à d'autres maladies démyélinisantes (leucodystrophies, carence en vitamine B12, autres). Elles entraînent des symptômes qui dépendent des fibres lésées. Par exemple, une lésion du faisceau arqué entraînera des troubles du langage assez spécifiques, qui portent les noms d'aphasie de conduction (nous reviendrons sur ce trouble dans le chapitre sur le langage). À contrario, des lésions des fibres de projection ou des fibres inter-hémisphériques pures sont plus fréquentes et donnent des syndromes plus facilement identifiables.

Contrairement à la substance grise, la substance blanche a la possibilité de se régénérer. On pourrait donc croire que les maladies de la substance blanche entraînent moins de déficits et que ceux-ci sont réversibles avec le temps. C'est le cas dans la plupart des situations, mais des exceptions existent. La plupart de ces maladies touche aussi la substance grise, mais certaines sont spécifiques à la substance blanche. Ces maladies qui touchent uniquement la substance blanche cérébrale sont appelées des leucoencéphalopathies. La première classe de maladies de ce type est celui des maladies démyélinisantes, qui vont toucher spécifiquement la substance blanche. Le cas le plus iconique est clairement celui de la sclérose en plaque, qui touche le système nerveux central et donc le cerveau. Mais les leucoencéphalopathies peuvent avoir des origines très diverses : entre les tumeurs, les hémorragies dans la substance blanche, les ischémies cérébrales, et autres maladies, le choix est large.

Les maladies du corps calleux

Parmi les maladies de la substance blanche, les troubles du corps calleux sont de loin les plus fréquentes. Ils apparaissent quand le corps calleux est lésé, voire sectionné, ou qu'il ne se développe pas normalement. La section du corps calleux ou son absence donnent toutes deux les patients split-brain que nous avons abordés plus haut.

Les troubles développementaux du corps calleux

La plupart des troubles du corps calleux apparaissent dès la naissance, ou au moins lors des premières années de la vie. Il s'agit de troubles du développement cérébral, vraisemblablement d'origine génétique ou prénatale. Ils sont souvent présents en même temps que d'autres malformations du cerveau ou de la moelle épinière : il n'est pas rare de les voir associés à la trisomie, au syndrome de déficience mentale lié à l'X, à un syndrome d'alcoolisation fœtale, etc. On peut classer ces troubles développementaux en plusieurs types, selon que le corps calleux est absent, malformé, ou sous-développé.

• L'agenèse totale du corps calleux correspond au cas où le corps calleux est absent ;
• L'agenèse partielle correspond à un corps calleux partiellement absent (il en manque un bout sur sa longueur) ;
• L'hypogenèse du corps calleux donne un corps calleux moins épais que la moyenne ;
• La dysgenèse donne un corps calleux déformé, malformé.

L'absence totale du corps calleux apparaît chez le fœtus et est alors presque toujours totale : on parle alors d’agénésie du corps calleux. L'agenèse partielle et l'hypogenèse sont plus fréquentes et correspondent toutes deux à un développement ralentit ou partiel du corps calleux. Dans les deux cas, le corps calleux n'est pas complet : soit il manque des sous-régions, soit il est moins épais. Ils se distinguent par la nature du sous-développement : l'agenèse se traduit par un corps calleux moins long avec parfois des sous-régions absentes ou rabougries, alors que l'hypogenèse se traduit par une perte d’épaisseur et une longueur conservée.

Les troubles acquis du corps calleux

Le corps calleux peut être atteint à l'âge adulte ou adolescent par diverses maladies ou lésions. Par exemple, certains patients ont vu leur corps calleux sectionné (totalement ou partiellement) par une tumeur, un infarctus cérébral ou une hémorragie. Parfois, on sectionne le corps calleux chez certains épileptiques, pour éviter la propagation des crises d'un hémisphère à l'autre. Il va de soi que cette opération est très rare et n'est utilisée qu'un dernier recours pour des cas particulièrement graves d'épilepsie.

Certains cas de section du corps calleux sont induits par un alcoolisme chronique : on parle alors de maladie de Marchiafava–Bignami. Avec cette maladie, le corps calleux se démyélinise et se nécrose progressivement, sans que l'on sache vraiment pourquoi. Cette maladie est très rare, avec quelques centaines de cas connus de par le monde, ce qui fait qu'elle n'est pas très étudiée. Les symptômes sont extrêmement divers et beaucoup se confondent avec les symptômes induits par l'alcoolisme ou par d'autres maladies neurologiques. Les cas les plus graves peuvent aller jusqu’au coma ou des troubles de la conscience. On suppose que cette maladie provient de carences nutritionnelles induites par l'alcool et plus précisément un manque en vitamine B. Le traitement de cette affection est donc actuellement limité à un arrêt de l'alcool et une supplémentation en vitamines, ainsi qu'un traitement symptomatique.

La leucoaraïose

Outre les sections localisées, la substance blanche peut présenter des lésions diffuses formées d'un grand nombre de petites lésions disséminées dans le cerveau. On observe à l'imagerie médicale des réductions de la densité de la substance blanche, assez peu localisées. Ce "syndrome" d'altération axonale encéphalique diffuse, est appelée la leucoaraïose. Elle est très fréquente chez les personnes âgées, et encore plus si celles-ci ont eu des accidents vasculaires cérébraux. Au niveau clinique, cette leucoaraïose peut être totalement asymptomatique chez certains patients, tandis que d'autres présenteront des troubles neurologiques diffus. Typiquement, les patients présentent tous des problèmes cognitifs plus ou moins légers : ralentissement psychomoteur, baisse de l'attention ou de l'intellect, plus rarement des troubles mnésiques. Les troubles moteurs sont aussi souvent présents et se traduisent par des problèmes de locomotion, avec une démarche altérée. Les origines de la leucoaraïose sont encore mal connues et les hypothèses encore nombreuses. On sait cependant que l'âge est un facteur de risque assez important, de même que l'hypertension artérielle.

La leucoencéphalopathie multifocale progressive

La leucoencéphalopathie multifocale progressive (que nous abrégerons en LMP) est une maladie démyélinisante (pour rappel : qui détruit la gaine de myéline des axones) qui attaque la substance blanche sous-corticale. Il s'agit d'une maladie extrêmement rare, causée par une infection virale au virus JC. Ce virus est présent chez la quasi-totalité de la population, qui l'attrape généralement lors de l'enfance. Normalement, ce virus est gardé sous contrôle par le système immunitaire, tout du moins chez les patients sains. Ce qui est loin d'être un cas particulier : nous vivons avec de nombreux virus en nous, qui ne sont pas pathogènes chez un individu sain. Mais chez certains patients immunodéprimés, le système immunitaire n'est plus assez efficace pour contrôler le virus, qui devient infectieux. Cela arrive notamment chez les patients sous immunosuppresseurs ou chez les patients sidéens. Le virus déclenche alors une infection cérébrale et une inflammation, qui dégrade la myéline axonale.

Les symptômes de cette maladie sont assez divers et aucun n'est spécifique. Il faut dire que les lésions induites par la maladie peuvent toucher toutes les aires du cerveau et que les zones touchées varient grandement d'un individu à l'autre. Tel patient sera atteint de paralysie, tel autre deviendra aveugle, tel autre manifestera des troubles neuropsychiatriques, etc. Le diagnostic se fait avec une ponction lombaire (un prélèvement de liquide céphalo-rachidien), les signes cliniques n'étant pas des plus fiables. L'infection est mortelle dans la plupart des cas, avec une espérance de vie de quelques mois à quelques années. Il n'y a actuellement pas de traitements pour cette affection, si ce n'est que certaines interventions permettent d'allonger la durée de vie. Par exemple, les patients atteints du SIDA traités par trithérapie ont ainsi une durée de vie augmentés. De l'autre côté, les patients sous immunosuppresseurs doivent baisser leurs doses, voire arrêter leur traitement. En clair, il faut corriger l'immunodéficience induite par le IDA ou les médicaments.