MÉTABOLISME ET HOMÉOSTASIE CÉRÉBRALE: COMPRENDRE LES BESOINS ÉNERGÉTIQUES DU CERVEAU

John Signer | Mars 2025
Comprendre les bases en neurosciences

L’une des caractéristiques les plus frappantes de notre espèce est notre capacité cognitive exceptionnelle. Véritable chef-d’œuvre de l’évolution, notre cerveau constitue un atout majeur, mais il a un prix. Son fonctionnement, aussi sophistiqué soit-il, nécessite une consommation énergétique considérable : il représente seulement 2 % de notre masse corporelle, et consomme pourtant près de 20 % de l’énergie disponible.

Ce troisième article explore le métabolisme cérébral et met en lumière les mécanismes de gestion énergétique et d’homéostasie indispensables au bon fonctionnement de cet organe hautement énergivore.

Les neurones ne travaillent pas seuls

Imaginez un entrepreneur acharné qui vient de lancer sa propre entreprise. Déterminé à tout gérer lui-même, il refuse de déléguer, par peur que le travail d’un autre soit moins qualitatif que le sien. Au fil du temps, l’épuisement s’installe, le stress s’accumule, et il finit en burn-out.

Pour ne pas en arriver là, le neurone, lui, à décidé de coopérer avec d’autres cellules pour assurer son propre bien-être et optimiser son fonctionnement. Bien que cette analogie soit en partie métaphorique, il est essentiel de comprendre qu’un neurone, pour assurer la transmission des informations, doit être nourri, protégé des pathogènes et alimenté en énergie. Sinon, ça lui ferait trop de travail.

Nutriments et oxygène

Pour survivre et assurer sa fonction, un neurone a besoin de trois éléments essentiels :

1. Une grande quantité d’énergie

Pour produire de l’énergie, les neurones ont besoin d’oxygène, utilisé par les mitochondries – véritables “centrales énergétiques” de la cellule – pour synthétiser une molécule essentielle : l’adénosine triphosphate (ATP).
L’ATP est avant tout une source d’énergie. De nombreuses réactions biochimiques à l’intérieur des cellules du corps nécessitent la présence d’ATP. La molécule va intervenir chimiquement dans la réaction afin de faciliter son succès.

Quelques cas de figure où elle est nécessaire :

– permettre la libération des neurotransmetteurs (en intervenant dans la fusion membranaire).

– rétablir les gradients ioniques après un potentiel d’action (en les ouvrant et en les fermant).

– transporter des protéines et organites à l’intérieur de la cellule (en activant des protéines de transport).

2. Des matériaux nécessaires au maintien de sa structure et de son activité

Pour former sa membrane et établir de nouvelles connexions synaptiques, le neurone a besoin de lipides. Pour produire de l’ATP, il va utiliser du glucose. Pour synthétiser ses neurotransmetteurs, il puise dans les acides aminés. Pour générer un potentiel d’action, il dépend des ions et pour fabriquer de nouvelles protéines, il se base sur de l’ARN, une molécule composée de nucléotides.

Tous ces matériaux, ce sont des sous-produits de la nourriture que nous consommons, métabolisés, éventuellement transformés puis transportés jusqu’au cerveau en passant par le sang.

3. Une barrière sélective aux portes du cerveau

Le sang n’est pas en contact direct avec les neurones. La barrière hémato-encéphalique agit comme un filtre extrêmement sélectif, ne laissant passer que les nutriments nécessaires au bon fonctionnement du cerveau. Les apports sanguins sont régulés en fonction de l’activité des différentes zones cérébrales. Autrement dit, si les neurones d’une zone spécifique du cerveau sont particulièrement sollicités à un moment donné, l’apport sanguin et le passage des molécules essentielles au bon fonctionnement des neurones augmentent localement.

La barrière doit être très sélective et imperméable, car le cerveau est un organe fragile, qui ne doit pas être exposé à des substances toxiques ni à des pathogènes. De plus, elle permet l’évacuation des nombreux déchets biochimiques produits par l’activité cérébrale.

Ainsi, la barrière hémato-encéphalique maintient l’homéostasie du cerveau, assure la nutrition de ses cellules et facilite l’élimination de ses déchets.

Astrocytes

Précédemment, je vous ai raconté que les neurones ne travaillaient pas seuls. L’un de leur allié essentiel, c’est les astrocytes. Leur nom vient de leurs nombreux prolongements cytoplasmiques qui s’étendent en étoile, leur donnant une forme caractéristique. Liant les neurones, enveloppant les vaisseaux sanguins, communiquant entre eux, ce sont littéralement des cellules à tout faire.

(1) Ils jouent tout d’abord un rôle structurel important, assurant le maintien de l’organisation cérébrale.

(2) Ensuite, ils participent à la modulation synaptique. Comment? En libérant des gliotransmetteurs dans la fente synaptique en réponse à leur environnement et en participant au recyclage des neurotransmetteurs, notamment le glutamate.

(3) Composant essentiel de la barrière hémato-encéphalique, les astrocytes enveloppent les vaisseaux sanguins. Ils s’impliquent non seulement dans l’apport nutritif au neurone (glucose, oxygène), mais régulent aussi le flux sanguin en fonction des besoins locaux. Les neurones d’une région fortement active libèrent des molécules liées à leur activité. Les astrocytes captent ses signaux et induisent, en réponse, une vasodilatation des vaisseaux sanguins voisins pour augmenter le flux sanguin localement – apportant ainsi plus d’oxygène et de glucose à la zone active.

(4) Lors de lésions cérébrales, ils participent à la cicatrisation et induisent éventuellement une activation immunitaire.

Microglies

La microglie est une cellule immunitaire qui patrouille en permanence dans le microenvironnement cérébral, à la recherche de pathogènes ou de zones endommagées. Elle est littéralement la gardienne de notre santé cérébrale. Toujours vigilante et extrêmement dynamique, cette cellule bienveillante engloutit des agents pathogènes, des déchets cellulaires, des agrégats de protéines et des synapses superflues pouvant menacer le système nerveux central.

Lorsqu’elle est confrontée à des agents pathogènes ou à des lésions importantes, la microglie produit des molécules dites “pro-inflammatoires” pour améliorer la situation interne. Cependant, si l’infection devient chronique et n’est pas contrôlée, elle peut endommager les neurones. Une fois l’infection résolue, ce sont des molécules “anti-inflammatoires” qui sont libérées. Leur rôle est de favoriser la réparation des tissus neuronaux et de soutenir la survie des neurones.

Oligodendrocytes

Particulièrement présent lors du développement, l’oligodendrocyte possède des prolongements qui entourent les axones de plusieurs couches de membranes cellulaires fusionnées. Ce processus est appelé “myélinisation”. En termes simples, la membrane est composée de lipides, des substances qui agissent comme des isolants.

Myéliniser les axones consiste donc à les recouvrir d’un revêtement isolant, à l’image de l’isolation en plastique qui entoure les câbles électriques. Ces segments isolants sont séparés par des espaces où la myéline est absente, et où se trouvent des canaux ioniques. Le signal électrique “saute” d’un espace à l’autre, ce qui constitue la conduction saltatoire. Ce concept, invraisemblable, est en réalité une stratégie astucieuse permettant d’augmenter considérablement (1) la vitesse de propagation du signal nerveux et (2) la fréquence des influx nerveux. Le système nerveux doit être à la fois rapide et efficace.

Ce que vous avez appris

Vous avez maintenant une vue d’ensemble des besoins essentiels des neurones, ainsi que des ressources et des cellules qui les soutiennent. Vous avez également découvert que les neurones ne travaillent pas seuls, mais en collaboration avec d’autres cellules absolument essentielles.

Le prochain article présentera des exemples concrets de voies de signalisation neuronales et comment celles-ci jouent un rôle crucial dans notre vie de tous les jours.