Le cerveau humain contrôlé par une mémoire photique pour les fonctions exécutives


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En exploitant les propriétés photoréceptrices uniques de la mélanopsine et une approche de pointe en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle, des chercheurs de l’ULg et de l’INSERM ont pu montrer que l’impact de la lumière sur les régions cérébrales nécessaires à la réalisation d’une tâche cognitive dépendait de la couleur spécifique de la lumière reçue plus d'une heure auparavant. Leurs travaux sont publiés dans la revue PNAS.

Il est établi depuis longtemps que la lumière exerce des effets importants sur le cerveau et notre bien-être. La lumière n’est pas uniquement indispensable à la vision, mais joue aussi un rôle essentiel dans un ensemble de fonctions dites « non-visuelles » comme la synchronisation de notre horloge biologique avec l’alternance jour-nuit. La lumière constitue également un stimulant puissant pour l’éveil et la cognition et elle est couramment employée pour améliorer la performance, et pour lutter contre la somnolence ou le «blues hivernal».

Les mécanismes qui sous-tendent ces effets positifs de la lumière ne sont que très peu connus. Durant les 10 dernières années, des scientifiques ont découvert un nouveau type de cellule sensible à la lumière dans l’œil (photorécepteur) appelé mélanopsine. Ce nouveau photorécepteur est essentiel pour transmettre l’information lumineuse vers de nombreux centres du cerveau dits « non-visuels ». Les recherches en laboratoire ont montré que sans ce photorécepteur, les fonctions non-visuelles sont perturbées, l’horloge biologique est déréglée et fonctionne en « roue libre » par rapport à l’alternance jour-nuit, et l’effet stimulant de la lumière est compromis. La mélanopsine est extraordinaire à plus d’un titre et diffère des cônes et des bâtonnets puisqu’elle exprime des propriétés ressemblant aux photorécepteurs des invertébrés et elle est particulièrement sensible à la lumière bleue.

Chez l’être humain, on ne peut appliquer des outils génétiques et le rôle de la mélanopsine dans la régulation de l’éveil et de la cognition humaine n’est pas établi. Cependant des chercheurs du Centre de Recherche du Cyclotron de l’Université de Liège et du Département de Chronobiologie de l’Institut Cellules Souches et Cerveau de l’INSERM (Bron, France) viennent d’apporter les preuves de l’implication de la mélanopsine dans l’impact de la lumière sur le cerveau.

En exploitant les propriétés photoréceptrices uniques de la mélanopsine et une approche de pointe en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), ils ont pu montrer que l’impact de la lumière sur les régions cérébrales nécessaires à la réalisation d’une tâche cognitive dépendait de la couleur spécifique de la lumière reçue plus d'une heure auparavant. Une exposition préalable à la lumière orange avant une lumière test augmente l’impact de cette lumière test, alors qu’une exposition préalable à une lumière bleue produit l’effet inverse. Ce phénomène de rémanence d'une exposition à la lumière sur la réponse lumineuse suivante est typique de la mélanopsine et de certains photopigments rencontrés chez les invertébrés et les plantes, et est connu sous le nom de « mémoire photique ».

Le cerveau humain aurait donc une machinerie de type invertébré dans l’œil qui participe à la régulation de la cognition. Il est possible que ce mécanisme explique ce que la recherche chronobiologique humaine a qualifié « d’effet de l’historique lumineux préalable », une forme d’adaptation lumineuse dans le long terme. De façon générale, la lumière de notre environnement évolue au cours de la journée et ces changements modifient notre état. Cette recherche met en avant l’importance de la lumière pour les fonctions cognitives cérébrales et constitue une preuve en faveur d’un rôle cognitif de la mélanopsine. Cette découverte plaide pour l’utilisation et la conception de systèmes lumineux qui optimisent les performances cognitives.

Référence

Sarah L. Chellappa1*, Julien Q. M. Ly1*, Christelle Meyer1, Evelyne Balteau1, Christian Degueldre1, Andre Luxen1, Christophe Phillips1, Howard M. Cooper2, Gilles Vandewalle1 (2014) “Photic memory for executive brain responses”, Proceedings of the National Academy of Science of the USA (PNAS).

1 Centre de Recherche du Cyclotron de l’Université de Liège, Belgique.
2 Département de Chronobiologie de l’Institut de recherche sur les cellules souches et le cerveau de l’INSERM, Bron, France.
* ces 2 auteurs ont contribué de façon égale

Illustration

Cerveau-EsapcePhotique

Légende : 16 jeunes participants ont réalisé un tâche cognitive auditive pendant qu’ils étaient exposés à une lumière test. Les régions cérébrales en orange répondaient plus à la lumière test si les participants avaient été exposés à une lumière orange 70 minutes plus tôt. 1. Thalamus; 2. Cortex prefrontal dorsolateral; 3. Cortex préfrontal ventrolatéral. Ces régions sont importantes pour la régulation de l’éveil et des processus cognitifs complexes.