L'orexine influence la taille des pupilles

«L'effet était si fort que nous avons immédiatement su que nous tenions quelque chose d'important», se souvient Nikola Grujic, post-doctorant au laboratoire de dynamique neurocomportementale de l'ETH Zurich. Grâce à une série d'expériences initiales sur des souris, il a étudié ce que l'on appelle les neurones à orexine, l'un des principaux domaines de recherche du laboratoire. Il a observé que la stimulation des cellules nerveuses provoquait un élargissement notable des pupilles des souris. «Très souvent, les effets de la neurostimulation se perdent dans le bruit des données de mesure, que nous devons ensuite filtrer minutieusement pour les trouver. Cette fois-ci, c'était différent. L'effet était évident», explique-t-il.

Décrits pour la première fois en 1998, les neurones à orexine s'étendent de l'hypothalamus à toutes les autres zones du cerveau, y compris celles qui contrôlent la conscience et les fonctions autonomes. Ces neurones sont impliqués dans la régulation du passage du sommeil à l'éveil, de la durée d'attention, du système de récompense, de l'appétit et de la consommation d'énergie, entre autres.

Essentiel pour l'état normal de la pupille

Comme l'ont montré les mesures de Nikola Grujic, les neurones à orexine influencent directement une caractéristique centrale de l'état émotionnel d'un individu : ce ne sont pas seulement les stimuli lumineux qui modifient la taille des pupilles, mais aussi la tension mentale et les impressions émotionnelles. Les pupilles, que l'on appelle à juste titre les fenêtres de l'âme, sont couramment utilisées dans les examens médicaux et psychologiques : leur taille peut fournir une mesure de l'attention et d'autres fonctions de l'organisme contrôlées de manière inconsciente.

Jusqu'à présent, le principal déterminant de la taille de la pupille face à la lumière était considéré comme la noradrénaline - connue comme hormone du stress - et son système de récepteurs. Or, les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont montré que ce rôle est plutôt à mettre au crédit du neurotransmetteur orexine et de son système de récepteurs. Les neurones à noradrénaline sont en effet incapables de maintenir l'état normal de la pupille sans les cellules nerveuses à orexine. Si le système de l'orexine est désactivé, les pupilles restent beaucoup trop contractées. «En fait, les neurones à noradrénaline sont les esclaves des neurones à orexine», explique Denis Burdakov, professeur à l'ETH Zurich, pour décrire de manière imagée cette relation de dépendance.

Lien avec la narcolepsie

Dans leurs expériences, les chercheurs ont également établi un lien dose-dépendant entre l'activité des cellules nerveuses et le diamètre des pupilles. «Les pupilles nous montrent précisément à quel point les neurones à orexine de l'hypothalamus sont actifs», explique Denis Burdakov.

En plus de fournir aux chercheurs et chercheuses sur le cerveau un nouveau moyen de mesurer l'activité de l'orexine, cette découverte ouvre de nouvelles perspectives de traitement médical. Il existe depuis longtemps un lien entre une perturbation de la régulation de l'orexine et le trouble du sommeil qu'est la narcolepsie. Récemment, des liens ont également été observés avec d'autres maladies neurologiques telles que la maladie d'Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux et le syndrome génétique de Prader-Willi. Dans ce dernier cas, un dysfonctionnement du diencéphale, ou inter-cerveau - où se trouve l'hypothalamus - entraîne de graves symptômes physiques, cognitifs et métaboliques.

Ces quatre maladies ont toutes une composante de troubles du sommeil. À l'avenir, l'examen de la taille de la pupille pourrait permettre d'étudier plus précisément l'influence de l'orexine sur ces pathologies, voire de simplifier et d'améliorer le diagnostic, selon Denis  Burdakov. À l'heure actuelle, le diagnostic de la narcolepsie nécessite encore une ponction lombaire, une procédure invasive.

Débloquer la régulation de la conscience

En tant que neuroscientifique, Nikola Grujic considère sa découverte principalement comme une clé pour mieux comprendre comment les fonctions essentielles de notre conscience sont régulées. «Atteindre l'équilibre entre la concentration sur ce qui nous est familier et la possibilité de laisser nos pensées vagabonder et explorer le monde qui nous entoure est un élément essentiel de notre capacité à nous adapter à de nouvelles situations», explique-t-il. La prévalence et la diversité des troubles de l'attention diagnostiqués aujourd'hui montrent à quel point il peut être difficile de maintenir cet équilibre, explique Nikola Grujic.

L'orexine est l'un des nombreux systèmes neuromodulateurs (les autres étant la noradrénaline et la sérotonine) qui régulent cet équilibre. Ces systèmes font pencher la balance d'un côté ou de l'autre en fonction des besoins de l'organisme. Au début de l'évolution humaine, par exemple, les chasseuses-cueilleuses et chasseurs-cueilleurs affamés devaient se mettre à la recherche d'une source de nourriture. S'ils et elles étaient récompensées par la découverte de quelque chose à manger, elles et ils devaient alors se concentrer sur leur environnement afin d'être en mesure d'espionner davantage de nourriture. Lorsque les premiers être humains étaient enfin rassasiés, ils pouvaient se consacrer à la satisfaction de leurs autres besoins.

Plusieurs sous-ensembles de neurones pour des fonctions spécifiques

En étudiant les neurones à orexine, le groupe de recherche de Denis Burdakov est parvenu à identifier des sous-ensembles impliqués dans diverses fonctions neuronales et donc dans différentes composantes de cet équilibre. À l'aide d'un type particulier de microscopie à fluorescence, les scientifiques ont observé la réponse de neurones à orexine individuels chez des souris et l'ont comparée aux fluctuations de la taille de la pupille. Ils et elles ont utilisé la microscopie à deux photons, qui permet d'observer l'activité de cellules individuelles dans le cerveau.

Les scientifiques ont découvert des neurones dont l'activité était en corrélation positive avec la taille de la pupille - et donc avec le niveau d'éveil de la souris - et d'autres dont l'activité était en corrélation négative. Ils et elles ont également trouvé des cellules qui influençaient à la fois la taille de la pupille et répondaient aux récompenses, ainsi que d'autres qui n'étaient liées qu'à l'un des deux facteurs.

Candidat à une régulation supérieure de notre conscience

L'identification de ces sous-ensembles spécialisés dans les neurones à orexine donne un premier aperçu de la manière dont ils sont câblés pour soutenir les fonctions centrales de notre conscience. De plus, selon Nikola Grujic, l'influence de l'orexine sur un grand nombre d'états comportementaux différents - de l'attention à la recherche de récompenses en passant par le passage du sommeil à l'éveil, l'appétit et la consommation d'énergie - en fait un candidat de choix pour leur régulation à un niveau plus élevé.

Les résultats obtenus par l'équipe de recherche de l'ETH Zurich ouvrent la voie à de nombreuses autres pistes de recherche scientifique concernant l'identification d'autres sous-ensembles de neurones et la manière dont ils interagissent entre eux et avec les systèmes de la sérotonine et de la noradrénaline. Les scientifiques pensent que la réponse à ces questions permettra non seulement de mieux comprendre la régulation de nos fonctions vitales, mais aussi d'améliorer le diagnostic et le traitement des maladies infectieuses. Ils et elles prévoient également des avantages dans le diagnostic et le traitement des troubles de l'attention et du sommeil et des affections connexes. Et comme le suggèrent les exemples de la maladie d'Alzheimer et des accidents vasculaires cérébraux, ces avantages pourraient être plus importants qu'il n'y paraît à première vue.