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Communications cellulaires

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Jean-Pierre Changeux

Communications cellulaires

Leçon inaugurale prononcée le 16 janvier 1976

Jean-Pierre Changeux

Texte intégral

Je crois la pensée si peu incompatible avec la matière organisée qu’elle semble en être une propriété telle que l’Électricité, la Faculté motrice, l’Impénétrabilité, l’Étendue, etc.
La Mettrie, L’Homme-Machine, 1746

Monsieur l’Administrateur,
Mes chers collègues,
Mesdames, Messieurs,

1« L’enseignement au Collège de France, écrit Claude Bernard, est d’une autre nature que celui des facultés... Ici le professeur, toujours placé au point de vue de l’exploration, doit considérer la science non dans ce qu’elle a d’acquis et d’établi, mais dans les lacunes qu’elle présente, pour tâcher de les combler par des recherches nouvelles. » C’est bien l’audace de l’explorateur qu’il me faut aujourd’hui pour assumer l’honneur d’enseigner dans cette illustre maison. Sans l’espoir d’une aventure intellectuelle à venir, je douterais de pouvoir remplir les graves devoirs qui m’attendent. La confiance que vous avez bien voulu me témoigner, mes chers collègues, soutient mon enthousiasme. Je vous remercie de l’extrême bienveillance de vos suffrages.

2Ma gratitude va plus particulièrement à François Morel, à François Jacob, pour leurs encouragements et la défense de ma candidature, ainsi qu’aux membres de l’Académie des sciences pour leur agrément final.

3Dans l’intitulé de la chaire que vous venez de créer s’unissent les mots : communication et cellulaire. L’un dérive du langage technique de l’ingénieur, l’autre désigne un niveau d’organisation du vivant. Cependant leur rencontre oriente notre regard, conduit à une méthode, délimite un champ de recherche. Il m’appartient aujourd’hui de justifier cette union insolite.

4Le mot communication apparaît dans le langage scientifique avec la Théorie mathématique de la communication que publient Shannon et Weaver peu après la dernière guerre. Au départ, il s’agit de formuler mathématiquement des problèmes de transmission de messages téléphonés. Très rapidement, Wiener étend ces vues théoriques aux êtres vivants. Jusque-là conçus comme des systèmes thermodynamiques puisant matière et énergie dans le monde extérieur, ils sont alors envisagés comme organisateurs de signaux, de messages codés contenant une « information » mesurable. L’organisme vivant devient une machine cybernétique qui conserve, propage, échange de l’information. Cependant dans leurs théories, Shannon et Weaver ne s’intéressent qu’à la prévisibilité du message et non à sa signification.

5Pour d’autres, comme Mac Kay, le simple fait d’échanger des messages ne suffit pas pour définir une communication. Celle-ci n’existe que si l’un des partenaires manifeste d’une manière ou d’une autre qu’il a bien reçu le message. Son organisation interne, son comportement, doit changer. La notion de communication rejoint celle de régulation.

6Le mot régulation lui-même est récent. Au xviiie siècle n’existait que régulateur comme terme d’horlogerie ou d’économie. En mécanique, le régulateur conserve un état de régime : la machine de Watt avait son régulateur. L’emploi du mot en économie introduisit le concept de coordination d’activités au profit d’une action commune. Claude Bernard, un siècle après, donne à régulation le sens qu’il possède aujourd’hui en physiologie : celui d’un mécanisme de compensation et d’équilibration. La régulation permet à l’organisme de résister aux changements de l’environnement, elle maintient l’homéostasie. Finalement, la cybernétique complétera ce sens en y ajoutant celui d’efficacité dans la réalisation d’un programme. Par le truchement de boucles de rétroaction, son exécution s’adapte aux variations du monde extérieur. La régulation assure l’invariance de l’organisme.

7De nos jours, le mot régulation s’emploie en biologie avec la plupart de ses acceptions antérieures. Mais son usage tient compte surtout du fait que tôt ou tard toute communication se termine par une régulation. Le message biologique trouve alors une signification. C’est en me fondant sur cette idée que j’ai tenté de regrouper les divers aspects pris par la communication chez les êtres vivants autour de quelques caractéristiques fonctionnelles.

8Une première notion concerne l’état de l’organisme à un instant donné : les communications qu’il établit s’accomplissent avec une grande économie de moyens de codage, de matière et d’énergie.

9Une autre tendance se manifeste au cours de l’évolution des espèces. Elle exprime une relation entre la complexité de l’organisme et la logique de ses interactions avec le monde extérieur. Les êtres vivants ont évolué et continuent d’évoluer dans le sens d’un accroissement et d’une diversification des échanges d’information avec leur environnement physique ou biologique. Au cours de l’évolution, l’organisme appréhende un domaine de plus en plus vaste de l’univers qui l’entoure. Une profonde intrication se noue avec le milieu. Pour reprendre le mot de J. Z. Young, l’organisme devient une « représentation » de plus en plus complète de son environnement.

10Une troisième tendance accompagne la précédente. Des mécanismes de communication internes à l’organisme se développent, unissent ses parties en un tout cohérent et harmonieux, en un mot les « intègrent ». Cette intégration se produit à plusieurs niveaux d’organisation. Comme le dit François Jacob dans la La Logique du vivant, les êtres vivants se présentent comme un « emboîtement successif et hiérarchisé d’ensembles discontinus ou intégrons ». L’organisme, machine cybernétique, entre désormais dans la catégorie des « systèmes ».

11L’approche théorique prend alors de l’intérêt si elle conduit à un découpage qualitatif de l’objet biologique en ses éléments constitutifs, à la définition de règles d’organisation et de règles d’interaction, sous une forme simplifiée, mais suffisante, pour expliquer un fonctionnement global.

12Au point de départ de toute démarche expérimentale se situe donc un choix critique : celui du niveau d’organisation qui servira de référence dans ce « découpage » du réel. Celui que je retiendrai dans l’analyse de la communication biologique est le niveau cellulaire. La cellule se trouve en effet au point de convergence de deux lignes de recherche : celle du biologiste moléculaire, qui la considère comme un système de macromolécules en interactions ; celle du neurobiologiste ou de l’embryologiste, qui la voient au contraire comme l’unité de base à partir de laquelle se construit l’organe ou l’organisme. Ce choix permet de distinguer deux ensembles de mécanismes de communication, ceux qui sont proprement internes à la cellule et ceux qui assurent l’interaction entre cellules. Cette distinction devient schématique avec les deux exemples que nous examinerons et qui se situent aux deux pôles de la complexité des êtres vivants : la cellule bactérienne et le système nerveux central des vertébrés.

***

13La cellule bactérienne constitue l’état d’organisation de la matière le plus simple qui réunisse les caractères propres à la vie. Après plus de trente ans d’efforts, les recherches conjointes des généticiens et des biochimistes ont permis d’en tracer un portrait qui, s’il doit être retouché, ne devrait plus faire l’objet de sérieux repentirs. Bien que près de 500 fois plus petite que la cellule animale, la bactérie possède, comme elle, membrane, cytoplasme et chromosome. Dans sa leçon inaugurale, François Gros a décrit comment, à la suite d’un jeu complexe d’interactions moléculaires, l’information génétique codée en langage chimique dans le chromosome bactérien s’exprime et se transmet d’une génération à la suivante. Le principal message que cette machine chimique perpétue au fil des générations est l’information nécessaire pour construire un être qui lui est identique.

14La bactérie communique peu avec ses semblables. Les systèmes de régulation très rudimentaires qu’elle présente ont deux objets principaux : d’abord informer l’intérieur de la cellule de la composition du milieu extérieur, ensuite coordonner le chimisme interne de la cellule de sorte que celle-ci finalement se reproduise avec la plus grande économie de moyens. Les signaux employés sont des petites molécules que la bactérie utilise comme source de matière et d’énergie : des blocs à dégrossir qui servent à des constructions macromoléculaires à long terme, ou au contraire du matériel préfabriqué à utiliser sans transformation.

15Considérons d’abord le cas d’une molécule préfabriquée, par exemple un acide aminé qui s’incorpore directement dans les protéines. En milieu pauvre, la bactérie la synthétise à grands frais à partir de sucre et de sels minéraux. Si on l’ajoute maintenant en excès dans le milieu de culture, sa synthèse s’arrête. L’acide aminé entre dans une boucle de rétroaction négative qui règle sa propre synthèse. Un autre schéma de régulation se présente lorsque le signal est un précurseur lointain ou du matériel brut à dégrader. La réponse est inversée. Le signal provoque une augmentation de la réactivité chimique de la cellule.

16Ces deux exemples n’illustrent que d’une manière fort incomplète les multiples circuits de régulation découverts chez les bactéries au cours des quinze dernières années. Un trait commun et fondamental cependant les unit. Tous s’articulent autour d’un petit nombre de molécules spécialisées, des protéines « régulatrices » qui, à elles seules, se chargent de l’essentiel : reconnaître les signaux et les « transduire » en activité biologique.

17Les protéines régulatrices les plus anciennement connues possèdent une fonction catalytique. Ce sont par exemple les enzymes qui entrent dans une boucle de rétroaction négative du type de celle mentionnée à propos de la biosynthèse des acides aminés. Umbarger et Pardee découvrent vers les années 1960 que la cible du signal régulateur est le premier enzyme de la chaîne. C’est lui, et lui seul, que le produit final inhibe. L’effet se manifeste in vitro comme in vivo. Il se conserve après purification de la protéine et ne requiert aucune source extérieure d’énergie. La fonction régulatrice est une propriété intrinsèque de la molécule protéique.

18D’autres molécules régulatrices ne possèdent aucune activité enzymatique, mais règlent la synthèse et par là, la quantité d’enzymes contenus dans la cellule. Par exemple, en présence de lactose, le colibacille produit en abondance l’enzyme qui dégrade le sucre. En absence de lactose, cette synthèse n’a pas lieu. François Jacob et Jacques Monod, à la suite des brillants travaux que l’on sait, démontrèrent que cette adaptation enzymatique se trouve sous la commande d’un gène particulier : un gène de régulation. Le produit de ce gène est une protéine, le répresseur, qui régit le fonctionnement d’autres gènes : ceux qui déterminent la structure des protéines adaptatives. En l’absence de lactose, le répresseur bloque l’expression des gènes de structure. En sa présence, il perd son activité, la synthèse adaptative a lieu. Le répresseur est donc une protéine régulatrice qui possède la particularité de reconnaître à la fois un signal de petite taille : le lactose, et la plus grosse molécule de la cellule : l’acide désoxyribonucléique du chromosome.

19Plusieurs répresseurs géniques viennent d’être isolés et purifiés. D’autres protéines du même genre, moins bien connues, gouvernent l’activité la plus « intégrée » de la cellule bactérienne : celle qui débute par la réplication du chromosome et se conclut par la division de la bactérie en deux cellules filles.

20On conçoit que, vu leur importance fonctionnelle, les protéines régulatrices aient retenu l’attention des biologistes moléculaires et des physico-chimistes. Un premier résultat, d’un intérêt extrême, fut de reconnaître que le signal régulateur exerce sa commande sans subir aucune transformation chimique. Il agit « gratuitement », par la simple vertu de se lier réversiblement à la molécule protéique, d’être « reconnu » par celle-ci en un site spécifique. L’opération régulatrice élémentaire, le changement provoqué de l’activité biologique, pouvait alors s’expliquer de deux manières différentes et tout aussi plausibles.

21Soit le signal régulateur se lie au site d’activité biologique. Il y a interaction directe. Soit, au contraire, la protéine régulatrice offre plusieurs catégories de sites topographiquement distincts. L’interaction est indirecte ou encore « allostérique ». Les expériences menées en parallèle à l’Institut Pasteur et à l’Université de Berkeley par Gerhart et Pardee décidèrent en faveur de la seconde hypothèse. Certaines modifications chimiques de la molécule protéique abolissent tout couplage régulateur sans pour autant faire perdre l’aptitude de reconnaître substrat et signal régulateur. La protéine se «  désensibilise » mais reste active. Les interactions régulatrices ont bien lieu entre sites distincts. Ce sont des interactions allostériques.

22Restait à expliquer comment des sites dispersés à la surface de la molécule protéique peuvent s’informer de leur état de liaison. L’hypothèse proposée fut celle d’une réorganisation réversible de la structure spatiale de la protéine régulatrice, d’un changement de conformation. Diverses méthodes spectroscopiques, conjuguées à l’emploi de molécules exploratrices sensibles à l’environnement et au mouvement, viennent de donner une réalité physique à ce qui, au départ, n’était qu’une hypothèse.

23La protéine allostérique change de forme, se métamorphose en présence de signal régulateur. Mais comment ce changement de structure se déclenche-t-il ? Deux possibilités là encore se présentaient.

24Soit, comme le suggérait Koshland, le signal régulateur lorsqu’il se lie provoque une modification de la molécule protéique qui reflète directement sa propre structure. En quelque sorte, le signal régulateur modèle la protéine, l’« instruit ».

25Soit, au contraire, la protéine régulatrice n’existe en solution que sous un petit nombre d’états et le signal régulateur sélectionne l’un de ces « avatars » qui préexiste spontanément à sa liaison.

26Le développement de cette dernière idée fut entrepris par Jacques Monod et Jeffries Wyman et j’ai eu le privilège d’être associé à leurs travaux. Une théorie générale des interactions allostériques s’élabora.

27Cette théorie repose, en particulier, sur des considérations de symétrie moléculaire. Toutes les protéines régulatrices, en effet, se composent d’un nombre fini de sous-unités identiques. Celles-ci s’assemblent spontanément en un édifice régulier et clos, en un microcristal fermé et symétrique. La structure coopérative qui en résulte serait à l’origine de la propriété très remarquable que possèdent les protéines régulatrices de répondre au signal régulateur d’une manière non linéaire. Leur réponse se « déclenche » dans un domaine de concentration très étroit. Cet effet de seuil résulterait d’une interconversion entre un petit nombre d’états conformationnels, discrets et symétriques, variétés « allotropes » d’un même édifice cristallin.

28L’hémoglobine, prototype de protéine régulatrice, est l’exemple le mieux documenté sur lequel la théorie a pu être mise à l’épreuve. Les études cristallographiques de Perutz et de ses collaborateurs en donnent jusqu’au niveau atomique une image extrêmement précise. Faits en accord avec la théorie, la liaison d’oxygène s’accompagne d’une transition majeure entre deux états symétriques. Toutefois, à cet important changement se superposent des effets plus discrets et localisés qui semblent directement « induits » par la liaison de l’oxygène sur ses sites.

29Par leurs fonctions « cognitives » et les métamorphoses de leurs molécules, les protéines « allostériques » constituent donc de microscopiques engins de régulation, des régulateurs dans le sens où ce mot était employé au xviiie siècle. Ces régulateurs coordonnent et intègrent l’ensemble des réactions chimiques de la cellule et commandent leur adaptation. Déterminés génétiquement dans leur structure, ils le sont dans leur réaction. La bactérie, comme toute cellule vivante, est un être au comportement prévisible.

***

30La communication bactérienne se situe au plus bas dans l’ordre biologique par la quantité et la nature de l’information échangée avec le milieu extérieur. À l’autre extrémité, les vertébrés, l’homme, diversifient et multiplient ces échanges. Les interactions entre individus de la même espèce, voire entre espèces différentes, occupent une place décisive. Au sein de l’organisme, des ensembles cellulaires déjà présents chez les invertébrés se regroupent en organes spécialisés dans la communication : système nerveux, appareils sensoriels. L’aptitude à identifier les signaux chimiques s’enrichit de la perception de multiples signaux physiques. La centralisation du système nerveux renforce l’intégration. Avec l’acquisition d’une mémoire, le présent se confronte à l’expérience passée. Le cerveau peut désormais concevoir et simuler un comportement à venir. La pensée réflexive s’installe.

31Comparé à la cellule bactérienne, le cerveau humain paraît d’une formidable complexité. Plus de dix milliards de cellules, un inextricable entrelacs de connexions et de filets nerveux. Il faut alors beaucoup d’assurance pour se limiter à des idées simples.

32D’abord, malgré leur nombre et leur diversité, les cellules nerveuses suivent des schémas d’organisation et de régulation qui, au niveau moléculaire, sont semblables à ceux de la cellule bactérienne. Ensuite, une cybernétique d’ordre plus élevé se superpose à cette cybernétique moléculaire. Le cerveau est une machine qui traite l’information, l’enregistre, donne des ordres à la manière d’un ordinateur. Toutes ses fonctions, aussi nobles soient-elles, résultent exclusivement de l’assemblage d’éléments cellulaires, de leurs interactions ainsi que des signaux reçus du monde extérieur par le canal des organes des sens.

33Dès lors, quelle méthode suivre pour pénétrer dans une mécanique si désespérante par sa difficulté que d’aucuns, fort éminents, n’hésitent pas à la reléguer dans la catégorie des « boîtes noires » ? Faut-il partir du comportement, suivre les règles abstraites qui assujettissent la relation visible signal reçu/comportement évoqué, en inférer des schémas d’organisation ? Cette démarche se heurte à la multiplicité et à la diversité des centres nerveux engagés dans des comportements en apparence fort simples ainsi qu’au défaut apparent de logique dans l’organisation anatomique. Induire une architecture à partir d’un comportement paraît une illusion.

34La démarche inverse, moins brillante, mais plus concrète, accable par la tâche qu’elle exige. Elle passe par la reconnaissance du contenu de la « boîte noire », par l’identification de ses éléments anatomiques et fonctionnels, tels qu’ils sont et non pas tels qu’on les imagine. Son objectif final devient la « reconstitution », le calcul prévisionnel du comportement à partir de ces données élémentaires.

35Une première dissection de la « boîte noire » conduit au niveau cellulaire. Au-delà se perd le caractère, proprement original, du système nerveux, de s’organiser en réseau de communication. Ce réseau se compose de minces prolongements qui unissent les cellules nerveuses, les branchent sur les organes sensoriels ou moteurs. Leurs points d’articulation canalisent tout transfert d’information au sein de l’ordinateur cérébral et, de ce fait, tiennent une place critique.

36La structure intime de ces points d’articulation n’a été définitivement établie qu’il y a vingt ans. Elle donna lieu à de violentes controverses au début du siècle. Les « réticularistes » comme Gerlach ou Golgi croyaient le réseau nerveux continu. Ramon y Cajal, au contraire, postulait sa discontinuité. Pour lui, chaque cellule nerveuse ou neurone possédait son individualité propre et se trouvait en contiguïté et non pas en continuité avec la cellule voisine. Le contact s’établissait au niveau d’une structure privilégiée appelée synapse par Sherrington. La proposition de Cajal ne recevra sa démonstration définitive qu’en 1954 avec les observations en microscopie électronique de Palade et Palay. Dans la synapse, les membranes des cellules ne fusionnent pas, mais s’affrontent à la distance respectable de 20 à 30 nanomètres.

37Accepter le concept de synapse entraînait une difficulté supplémentaire : comprendre le mécanisme par lequel les neurones communiquent entre eux de part et d’autre de la fente synaptique.

38La convergence de plusieurs lignes de recherche, très différentes dans leurs méthodes, allait lever cette difficulté. Une première se confond avec l’analyse des phénomènes électriques qui accompagnent la propagation du signal nerveux le long des nerfs. Depuis les expériences de Helmholtz, on savait que l’« électricité animale » de Galvani est un processus physique mesurable qui se propage à une vitesse inférieure à celle du son. Dès 1902, Bernstein proposait dans sa « théorie de la membrane » que ces effets électriques résultent de la translocation sélective de particules chargées aussi simples que les ions potassium ou sodium à travers la membrane cellulaire. La mise au point de nouvelles techniques de mesure, l’emploi en particulier de micro-électrodes intracellulaires, permettra une importante série de recherches. Un de ses grands moments sera la démonstration, par Hodgkin et Huxley en 1952, que les variations conjuguées de perméabilité de la membrane cellulaire aux ions sodium et potassium rendent compte intégralement et de manière quantitative de la propagation du potentiel d’action sur le nerf.

39Parallèlement, chimistes et pharmacologistes s’efforcent d’identifier des composés de faible poids moléculaire présents dans le système nerveux et d’en caractériser les effets sur des organes isolés : intestin du cobaye, cœur de grenouille ou muscle squelettique du chat. Un nombre important de ces travaux sera consacré à l’un d’entre eux, l’acétylcholine, une molécule de taille comparable aux signaux chimiques employés par la cellule bactérienne. Sir Henry Dale et ses collaborateurs, vers les années 1930, démontrent que les nerfs moteurs contiennent une quantité appréciable d’acétylcholine et qu’elle est libérée au cours de la stimulation électrique. L’acétylcholine, d’autre part, provoque la contraction du muscle strié d’une manière très semblable au produit libéré par le nerf.

40Quelques mois avant le début de la dernière guerre mondiale aura lieu dans le minuscule laboratoire d’Arcachon une expérience modèle dont la signification historique n’est pas toujours reconnue. Le chimiste David Nachmansohn sait titrer l’acétylcholine et l’enzyme qui la dégrade, le physiologiste Alfred Fessard sait mesurer les potentiels électriques, le pharmacologiste Wilhelm Feldberg sait injecter l’acétylcholine de manière qu’elle accède au niveau cellulaire. Ils conjuguent leurs efforts sur un matériel exceptionnellement favorable, l’organe électrique du poisson torpille. Ils apportent la première démonstration directe que l’application d’acétylcholine sur une membrane biologique peut entraîner un changement de ses propriétés électriques. L’organe électrique convertit le signal chimique en signal électrique.

41Restait à définir le rôle précis de l’acétylcholine. L’acétylcholine commande-t-elle la propagation de l’influx nerveux le long des filets nerveux ? Ou bien, au contraire, comme le proposait Elliot dès 1904, puis Sir Henry Dale, joue-t-elle le rôle de signal de communication intercellulaire au niveau de la synapse ? Les divergences de vue entre physiologistes aussi bien qu’entre physiologistes et biochimistes allaient pendant près de vingt ans rendre confuse une recherche où les différences de méthode et par là de langage créèrent des obstacles sérieux. À la suite des travaux de Stephen Kuffler, de Sir Bernard Katz, pour ne citer qu’eux, il est désormais accepté que l’acétylcholine sert de signal de communication — de « transmetteur » — au niveau de la synapse, mais seulement pour une catégorie particulière : les « synapses chimiques ».

42Schématiquement, la synapse chimique fonctionne de la manière suivante : le transmetteur est synthétisé par des enzymes présents dans le bouton terminal du nerf et s’y accumule. L’arrivée de l’influx nerveux à la terminaison déclenche la libération du transmetteur. Celui-ci diffuse à travers la fente synaptique et va provoquer une réponse électrique sur l’autre face, sur la membrane post-synaptique. Le tout prend environ un millième de seconde. L’appareil de sécrétion du transmetteur n’existe que sur l’une des faces de la synapse. Cette asymétrie fonctionnelle crée une polarité dans la transmission des messages.

43Composante hautement spécialisée dans la communication entre cellules, la synapse a des dimensions à peine supérieures à celles de la bactérie. Chimiquement, elle est beaucoup plus simple. Dans la terminaison nerveuse s’accumulent les enzymes de synthèse du transmetteur désormais bien connus depuis les travaux de Von Euler, Nachmansohn, Blaschko ou Axelrod. De l’autre côté de la fente synaptique, le transmetteur rencontre un tapis de macromolécules avec lesquelles il se lie. Cette « substance réceptrice », comme l’appelait Langley au début du siècle, a été pendant des années la pierre philosophale des pharmacologistes. En fait, il s’agit tout bonnement d’une protéine.

44L’identification fut difficile. Elle réussit seulement lorsqu’on eut pris conscience d’une pénible réalité. D’abord, il fallait accepter l’idée que le récepteur était une molécule aussi versatile qu’une protéine régulatrice bactérienne. Ensuite, on devait considérer qu’aucune méthode électrophysiologique, pharmacologique ou biochimique, à elle seule, ne permettrait de la caractériser ; au contraire, leur concours simultané était nécessaire, comme à l’âge d’or de la biologie moléculaire l’avait été le rapprochement de la génétique et de la biochimie. Enfin, il fallait conduire l’expérimentation sur un matériel biologique convenable.

45David Nachmansohn, bien avant la guerre, avait déjà reconnu l’extrême richesse de l’organe électrique de torpille ou de gymnote en une catégorie unique de synapses. Dans cette véritable « culture », le contenu synaptique se trouve multiplié dix milliards de fois et se présente en quantité appréciable pour le chimiste. Autre intérêt, là encore reconnu par David Nachmansohn, la dissection permet d’isoler la cellule de base de l’organe électrique, l’électroplaque, et d’en suivre la réponse électrique. Enfin, la pharmacologie de l’électroplaque ressemble beaucoup à celle de la jonction neuro-musculaire des vertébrés. L’acétylcholine est le transmetteur.

46Dans ses Leçons sur les substances toxiques et médicamenteuses, Claude Bernard notait que les composés toxiques sont « dans les mains du physiologiste de véritables réactifs de la vie ». Leur emploi conduira effectivement au marquage du récepteur de l’acétylcholine puis à son identification. À l’arsenal des paralysants comme le curare, déjà employé par Claude Bernard, va s’ajouter une petite protéine purifiée par un chercheur formosan, Chen Yuan Lee, à partir du venin d’un serpent, le bungare rayé. Lee montre que cette toxine se lie d’une manière quasi irréversible et extrêmement spécifique au récepteur de l’acétylcholine. Rendue radioactive, la bungarotoxine allait permettre de suivre à la trace la molécule réceptrice pendant son isolement et sa purification.

47Très fortement intégré à la membrane cellulaire, le récepteur passe en solution aqueuse en présence de détergents. Il peut ensuite être purifié. L’analyse du produit obtenu révèle qu’il s’agit d’une protéine composée par l’association de plusieurs chaînes polypeptidiques. Ses dimensions sont du même ordre de grandeur que celles des enzymes régulateurs. Dans la membrane postsynaptique, les molécules du récepteur s’assemblent en un cristal bidimensionnel que cimentent les molécules de lipides.

48La membrane sous-synaptique résiste à l’homogénéisation du tissu électrique. Après fragmentation, elle se referme sur elle-même en vésicules microscopiques suffisamment étanches pour que l’on puisse mesurer leur perméabilité aux ions sodium et potassium. Avec ces microsacs, dans un milieu extrêmement artificiel, en l’absence de toute source d’énergie, l’acétylcholine et ses analogues provoquent encore un accroissement réversible de perméabilité semblable à celui observé chez la cellule vivante. Cette étape critique de la transmission du signal nerveux continue donc d’être fonctionnelle dans le tube à essais. Mieux, l’analyse quantitative de la réponse in vitro souligne la profonde analogie existant entre le fonctionnement de la protéine réceptrice et celui d’une protéine régulatrice. Ici cependant, le site de liaison de l’acétylcholine ne commande pas la transformation d’un substrat ou l’activation d’un gène, mais l’ouverture d’un pore sélectif à travers la membrane. Des études spectroscopiques démontrent que, là aussi, cette commande s’accompagne d’une réorganisation conformationnelle de la molécule réceptrice, au sein de la membrane excitable. Le récepteur de l’acétylcholine prend ainsi sa place parmi les protéines allostériques. Le cours de cette année sera consacré à l’isolement et aux propriétés fonctionnelles de cette importante protéine.

49Le système nerveux central des vertébrés, en apparence, ne ressemble guère à un organe électrique de poisson. Toutefois, je reprendrai sous une forme nouvelle un aphorisme de Jacques Monod en proposant que « ce qui est vrai pour l’organe électrique du gymnote l’est aussi pour le cerveau humain ». En dépit de l’extrême diversité des types cellulaires, les cent mille milliards de synapses cérébrales fonctionnent suivant des règles très semblables à celles de l’organe électrique.

50Toutefois, le cerveau renferme plus d’une dizaine de neurotransmetteurs. Leur effet varie avec le neurone considéré. Dans certains cas, le transmetteur favorise le départ d’un influx nerveux. Il active le neurone comme l’acétylcholine dans l’organe électrique. D’autres fois, le transmetteur bloque l’activation. La synapse est inhibitrice. Enfin, la réponse de la membrane synaptique peut ne pas être un accroissement de perméabilité ionique. Elle se manifeste par une stimulation d’activité enzymatique. Les systèmes cyclasiques étudiés dans les laboratoires du Collège de France par François Morel, Serge Jard et leurs collaborateurs, en sont d’excellents exemples. Les transmetteurs du système nerveux central et leurs récepteurs seront cette année au programme du séminaire.

51Chaque neurone du système nerveux reçoit des centaines, voire des milliers de contacts synaptiques. Sa membrane cellulaire effectue la somme des signaux recueillis. Le résultat s’exprime sous forme d’un potentiel électrique dont la valeur conditionne le départ d’un influx nerveux. Le neurone « intègre » les signaux qu’il reçoit. Connaissant le nombre, le signe et la fréquence de ces signaux, la géométrie du neurone et la physico-chimie de sa surface, la faculté d’intégration est parfaitement déterminée. Elle devient « calculable ». Un modèle mathématique vient même d’en être proposé par Philippe Courrège.

52Du comportement électrique du neurone au psychisme, la distance est grande. Cependant, dès le début du xixe siècle, Gall dans sa « phrénologie » rassemble des observations qui, selon lui, donnent « la possibilité de reconnaître les instincts, les penchants, les talents ou les dispositions morales et intellectuelles de l’homme et des animaux, par la configuration de leur cerveau et de leur tête ». Broca, Jackson, Carpenter et bien d’autres depuis, reprennent l’idée de Gall et tentent d’assigner à chaque comportement une localisation cérébrale.

53Il est hors de question d’examiner en détail un ensemble d’observations que, dès 1923, Henri Piéron rassemblait dans un ouvrage de synthèse remarquable : Le cerveau et la pensée. Les données les plus récentes de la microphysiologie confirment que, jusqu’au niveau cellulaire, une spécialisation fonctionnelle existe. En règle générale, toute action sur l’environnement s’accomplit à la suite d’un changement de l’état fonctionnel d’un domaine précis mais parfois très vaste du réseau nerveux. La stimulation électrique de quelques millimètres cubes de ce domaine suffit souvent pour déclencher une cascade très ordonnée d’opérations. Le chat « implanté » de Hess hérisse le poil, arque le dos, crache en miaulant, sort ses griffes et attaque ce qui bouge. L’ordinateur cérébral contient des programmes d’action entièrement précâblés.

54Les signaux électriques requis pour évoquer ces comportements sont d’une surprenante simplicité. Un seul choc électrique parfois suffit. De même, les messages qui circulent dans le réseau nerveux lors de l’exécution spontanée d’un acte parfois très complexe paraissent pauvres en information : salves d’influx nerveux identiques, avec des fréquences ou des intervalles variables. La spécificité d’un comportement réside au moins autant dans la population particulière de neurones recrutés que dans les messages véhiculés.

55Fréquemment ces ensembles spécialisés de neurones fonctionnent avec un même transmetteur. Ils deviennent alors vulnérables à des agents pharmacologiques analogues ou antagonistes du transmetteur naturel. Des composés de ce genre sont étudiés au Collège de France par Jacques Glowinski et ses collaborateurs, et celui-ci vous a exposé l’importance de ces agents psychotropes dans le traitement des maladies mentales.

56L’opium, pour le poète « poison doux et chaste », efface la douleur et rend euphorique. Ses neurones cibles se situent principalement dans le système limbique appelé encore « cerveau de l’émotion ». Snyder, Simon et leurs collaborateurs ont récemment identifié son récepteur à l’aide de dérivés radioactifs de la morphine. Comme il se doit, le récepteur se trouve concentré dans le système limbique. Mais cette région du cerveau contient aussi un ou plusieurs composés naturels de faible poids moléculaire, peptides de cinq ou sept acides aminés, qui possèdent des propriétés pharmacologiques très semblables à celle de la morphine et se lient au même récepteur. Ces « encéphalines » ou « endorphines » seraient les transmetteurs qui apaisent la douleur. Un chercheur suédois, Lars Terenius, aurait même isolé du cerveau un antagoniste naturel de l’encéphaline qui, selon lui, propagerait les messages douloureux.

57Ces quelques observations prises parmi un nombre chaque jour croissant conduisent naturellement à adopter une attitude à la fois déterministe et réductionniste vis-à-vis de l’ordinateur cérébral. Au même titre que le comportement de la bactérie, le fonctionnement global du neurone et de ses synapses est « calculable », donc prévisible. Alors, pourquoi ne pas généraliser ce point de vue, en quelque sorte « laplacien », aux ensembles de neurones ou au système nerveux tout entier ? Les fonctions de comparateur ou de simulateur, la pensée réflexive mettent en œuvre des ensembles de neurones et des circuits connexionnels dont l’enchevêtrement résiste encore à une analyse objective. La connaissance de l’état initial requise pour prédire un comportement se heurte, pour l’instant, à de multiples obstacles. Mais cette difficulté est strictement pratique. Rien ne s’y oppose sur le plan théorique. Une compatibilité totale de principe existe entre le déterminisme le plus absolu et l’apparente imprévisibilité d’un comportement.

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58À la difficulté de savoir comment l’ordinateur cérébral fonctionne s’ajoute celle, plus redoutable encore, de comprendre comment il se construit. Darwin écrit que « l’hérédité c’est la loi ». Le développement du système nerveux y est soumis comme celui de l’organisme tout entier. Anatomistes et éthologistes ont pour métier d’en rechercher l’invariance au fil des générations et cela quel que soit l’environnement. Un linguiste comme Chomsky adopte la même attitude lorsqu’il écrit qu’une « composante de l’esprit humain, déterminée génétiquement, spécifie une certaine classe de grammaires accessibles à l’homme ».

59Seules font exception à cette stabilité des variations du génome, spontanées et rares : des mutations dont on peut suivre le devenir au cours d’expériences d’hybridation. Il est remarquable que l’une des premières démonstrations des lois de Mendel chez la souris fut établie par Yerkes au début du siècle avec un mutant de comportement : une souris « valseuse » apparue au Moyen Âge chez des éleveurs chinois. Chez l’homme, pour s’en tenir à un exemple bien documenté, l’hérédité familiale de la folie maniaco-dépressive suit celle d’un gène dominant lié au chromosome X.

60Des remaniements anatomiques ou fonctionnels parfois très discrets sous-tendent ces variations héréditaires du comportement. Ainsi, Sidman a reconnu que l’incoordination motrice qui accompagne la mutation « chancelant » chez la souris correspond à la perte d’une catégorie principale de synapse dans le cervelet. L’organisation connexionnelle du système nerveux jusqu’au niveau synaptique est donc soumise à la toute-puissance des gènes.

61Si l’on accepte ce point de vue, une nouvelle difficulté surgit. Si dans ses moindres détails l’organisation fonctionnelle du système nerveux est assujettie à un déterminisme génétique aussi strict, existe-t-il suffisamment de gènes dans le stock chromosomique pour en rendre compte ? Chacune des 100 000 milliards de synapses du cerveau humain est-elle codée par un gène différent ? Évidemment, la réponse est non. Le contenu en acide désoxyribonucléique du noyau dans l’œuf fécondé ne permet de coder que quelques millions de protéines de masse moléculaire moyenne. Cette quantité est d’ailleurs pratiquement la même chez la souris, la vache, le chimpanzé et l’homme. Qui plus est, une bonne fraction de cet ADN, plus de 40 %, contient des séquences répétées et ne semble pas correspondre à de véritables gènes de structure. Comment est-il possible d’engendrer la formidable complexité du système nerveux à partir d’un nombre aussi restreint de gènes ? La réponse est à chercher dans la mécanique du développement, l’Entwicklungs Mechanik de Wilhelm Roux qui, à partir de l’œuf, construit l’adulte.

62Cette préoccupation s’inscrit naturellement dans la longue tradition d’une chaire d’Embryogénie comparée fondée par Coste en 1884. Tout au long de sa fructueuse carrière, Emmanuel Fauré-Fremiet n’a-t-il pas tenté de trouver, pour reprendre ses propres termes, « une explication moléculaire de la forme » ? Dans le cadre d’une chaire devenue d’Embryologie expérimentale, Étienne Wolff et ses collaborateurs n’ont-ils pas essayé de saisir, avec le succès que l’on sait, le rôle des facteurs d’induction et des hormones comme vecteurs de l’expression des gènes au cours du développement ?

63Dès 1936, Thomas Hunt Morgan pose le problème du développement embryonnaire dans ses termes actuels. Avec un esprit de synthèse remarquable, il reprend les données de l’embryologie expérimentale connue de son temps et tente de les interpréter sur la base d’une génétique qu’il a fait naître de ses mains. L’hypothèse que les gènes s’expriment de la même manière tout le long du développement est d’abord repoussée comme l’est ensuite celle de Roux et Weismann suivant laquelle les déterminants chromosomiques se distribuent de manière inégale dans les diverses lignées cellulaires de l’embryon. Pour Morgan, au contraire, le matériel chromosomique se conserve intégralement au cours de la différenciation, seule son « activité » change. Différents groupes de gènes entrent en action à des stades variés du des stades variés du développement. Ce déploiement successif et différentiel résulterait d’interactions réciproques entre noyau et cytoplasme, entre cellules embryonnaires et même entre gènes. La différenciation embryonnaire se résout à un problème de communications cellulaires.

64Les vues en quelque sorte prophétiques de Morgan ont été confirmées par les expériences de transplantation de Briggs et King, de Gurdon ou de leurs émules. Dans le noyau de la cellule différenciée seuls quelques gènes de structure s’expriment ; ceux de l’hémoglobine pour le globule rouge, ceux des protéines contractiles pour la cellule musculaire. Transplanté dans le cytoplasme d’un œuf fécondé mais anucléé, le noyau différencié donne naissance à tous les noyaux des divers types cellulaires de l’adulte. La différenciation n’a pas modifié la structure des déterminants chromosomiques. Elle a seulement changé leur état d’activité.

65Le schéma de Morgan est-il cependant suffisant pour rendre compte de la diversité des types cellulaires de l’embryon et mieux encore de la multiplicité des catégories de neurones et de synapses du cerveau de l’adulte ? Les spéculations plus récentes de Wolpert, de Kauffman, de Britten et Davidson laissent entrevoir comment, à partir du modèle de Jacob et Monod et d’un stock limité de gènes et de signaux, on peut produire une importante diversité.

66La cellule embryonnaire est considérée comme un automate fini dans le sens de von Neumann. À chaque stade du développement, seul un petit nombre d’états possibles s’offre à elle pour son évolution future. Le choix entre états alternatifs est commandé par un petit nombre de signaux oui ou non qui varient par exemple avec la position de la cellule dans l’embryon, son passé, etc. Le point essentiel est que chaque choix détermine le suivant. S’exprimant à un stade précoce, un gène unique peut donc conduire à une décision aussi importante que, pour un disque imaginal de drosophile, devenir une patte ou une antenne. Ainsi, la combinatoire d’un petit nombre de gènes s’exprimant séquentiellement engendre un grand nombre d’états ; de même la combinatoire des mots crée le langage. Suivant ce schéma, à partir de vingt signaux binaires, il devient possible d’assigner l’état final d’une cellule embryonnaire d’un million de manières différentes.

67Bien que séduisantes, ces idées n’en restent pas moins théoriques. Quelques expériences suggèrent que des effets « en cascade » de ce type pourraient cependant intervenir au cours du développement embryonnaire.

68Chez la souris comme chez l’homme, la mutation d’un seul gène suffit à empêcher la fermeture de la gouttière nerveuse et, par là, abolit le développement de tout l’encéphale sans que soit altéré celui des autres organes. Étienne Wolff, dans une série d’expériences fort ingénieuses, réussissait à reproduire l’effet de cette catégorie de gène. Appliquant un excès de colorant vital sur un territoire bien délimité du jeune embryon de poulet, il faisait naître un monstre anencéphale.

69Avec la découverte des neurotransmetteurs, on comprend comment les cellules nerveuses communiquent entre elles. Les signaux échangés entre cellules embryonnaires aux premiers stades du développement restent, pour l’instant, entièrement dans l’ombre. Depuis Speman, des générations de biochimistes et d’embryologistes ont tenté d’isoler l’« inducteur » qui semble déterminer l’apparition de la gouttière nerveuse. Jusqu’à ce que Holtfretter démontre que verre pilé ou téflon pulvérisé « induisent » parfaitement. Comme l’écrit Jean Brachet, il « suffit de souffler dans le milieu de culture où se trouvent les fragments d’ectoblaste pour obtenir leur transformation en système nerveux ».

70Aux stades plus tardifs de l’ontogénèse, les signaux de différenciation paraissent plus faciles à identifier. On compte parmi eux des hormones bien connues chez l’adulte. Dans un de ses premiers travaux, Étienne Wolff injecte aux embryons de poulet des hormones sexuelles et réussit à féminiser des mâles présomptifs.

71Par d’élégantes expériences de microchirurgie pratiquées sur le fœtus de mammifère, Alfred Jost met en évidence la commande qu’exercent les glandes sexuelles, tout particulièrement le testicule, sur la différenciation du tractus génital. Sans aucun doute, les hormones sont des relais dans l’expression des gènes. Elles marquent même le développement du cerveau puisqu’elles commandent la différenciation de groupes de neurones qui distinguent le mâle de la femelle.

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72Il y a tout lieu de penser que la détermination et la mise en place des principales catégories de neurones ne diffèrent pas sensiblement de celles des deux cents autres types cellulaires de l’organisme. Le câblage final, par contre, est propre au système nerveux et d’un ordre de complexité supplémentaire. Comment les 60 000 fibres du nerf optique de la grenouille atteignent-elles leurs cibles respectives dans le toit optique ? Plus que jamais la pénurie de gènes se fait cruellement sentir. Elle limite singulièrement le nombre de modèles qui se présentent à l’esprit pour expliquer un processus qui, avouons-le, pour l’instant, nous échappe.

73Plusieurs hypothèses ont néanmoins été proposées : pour Sperry, les fibres nerveuses en croissance portent des marques chimiques complémentaires de celles de leur cible neuronale. Les deux partenaires se reconnaissent et s’assemblent avec une sélectivité qui dépend strictement de l’adhésivité entre surfaces cellulaires.

74Pour Jacobson et Gaze, c’est la croissance différentielle des fibres nerveuses qui entraîne l’apparition d’un ordre. Atteignant à des moments différents les neurones cibles, elles les « numérotent » en fonction de leur temps d’arrivée.

75Le peu que l’on sait du développement synaptique laisse à penser que chacune de ces hypothèses a sa part de vérité. Certes, les terminaisons nerveuses en croissance doivent reconnaître leur cible par leur surface cellulaire, mais vraisemblablement pas avec la sélectivité qu’exige l’hypothèse de Sperry.

76Un troisième mécanisme a, depuis Ramon y Cajal et Marinesco, retenu l’attention de générations de neurobiologistes. D’une manière ou d’une autre, l’état d’activité du réseau nerveux participe à la mise au point de la connectivité finale.

77Cette dernière hypothèse a donné lieu à une série de travaux qui se poursuivent avec Philippe Courrège et Antoine Danchin tant au niveau de la cybernétique des réseaux qu’à celui, déjà mentionné, du fonctionnement global du neurone. Je n’en donnerai ici qu’un très bref résumé.

78Une première série de faits dont il faut tenir compte et qui a déjà été mentionnée concerne le déterminisme génétique du réseau nerveux. Il est absolu chez un petit invertébré, un nématode ou un crustacé. Il n’est pas aussi strict dans le cerveau d’un vertébré. Examinons dans le détail les arborisations d’un même neurone pris dans les cerveaux d’individus génétiquement identiques : des poissons parthénogénétiques par exemple. On constate que ces cellules sont « presque » superposables, mais pas « exactement ». Comme le signale Cyrus Levinthal, une fluctuation mineure mais significative se manifeste au niveau du nombre précis de contacts synaptiques, de l’orientation des axones ou des dendrites... Elle n’a lieu toutefois que dans un domaine très étroit. La fluctuation est limitée par une « enveloppe génétique ».

79En second lieu, les premiers contacts synaptiques, lorsqu’ils se forment ne sont pas stables. Un état labile précède l’état rigide de l’adulte.

80Troisièmement : des phénomènes régressifs spontanés s’observent fréquemment au cours du développement. Ramon y Cajal notait déjà que, dans les cellules de Purkinje du cervelet de l’enfant nouveau-né, l’axone présente vingt à vingt-quatre branches collatérales. À deux mois, il n’en subsiste que quatre ou cinq. De même, aux premiers stades de l’innervation du muscle strié, chaque fibre musculaire reçoit plusieurs terminaisons nerveuses fonctionnelles. Chez l’adulte, une seule persiste. Dans un autre domaine, Jacques Mehler a souligné que, chez l’homme, le développement de certains processus perceptifs et cognitifs s’accompagne d’une perte spontanée de compétence.

81Le quatrième et dernier point de ces prémisses biologiques, le plus important, a trait aux effets de l’environnement sur le développement de certaines aires sensorielles du cortex cérébral. Comme l’ont montré Hubel et Wiesel, Barlow ou Imbert, les neurones de l’aire visuelle du chat possèdent une spécificité fonctionnelle. Ils répondent à des signaux venant d’un seul œil ou bien des deux, ou encore à des points lumineux se déplaçant dans le champ visuel avec une orientation privilégiée. Il est désormais bien établi qu’une expérience visuelle incomplète interfère avec le développement de cette spécificité.

82Considérant cet ensemble de données, deux attitudes sont possibles.

83Soit l’interaction avec le monde extérieur n’enrichit pas le système de manière significative. Elle n’agit que comme déclencheur de programmes préétablis. Elle stabilise une organisation synaptique déjà spécifiée génétiquement. C’est l’attitude qu’adoptent Hubel et Wiesel, Chomsky ou Fodor.

84Une autre manière de voir tient compte de la fluctuation. En la réduisant, l’activité introduit un ordre supplémentaire dans le réseau en développement.

85L’intérêt principal de cette épigénèse fonctionnelle est qu’elle conduit à une économie de gènes. Un petit nombre d’entre eux, en effet, devrait suffire pour dicter les règles générales de croissance, de reconnaissance et de stabilisation lors de la mise en place des connexions entre principales catégories de neurones. L’enveloppe génétique ainsi programmée permet à un maximum de contacts synaptiques labiles de se former en laissant le minimum d’espaces vacants. Cette occupation de l’espace a lieu sans qu’il soit nécessaire de spécifier point par point chaque contact. La mise en route, spontanée ou provoquée, de l’activité du système nerveux à un stade précoce du développement, sélectionnera quelques-uns de ces multiples contacts labiles et les stabilisera. L’enveloppe génétique offre un réseau au contour « flou », l’activité en définit les angles.

86La stabilisation sélective constituerait donc une étape critique du développement synaptique. Elle assure le couplage entre activité et connectivité. Le modèle biochimique qui peut en être proposé s’inspire à la fois de la cybernétique chimique de la cellule bactérienne et de celle de la synapse. La protéine réceptrice du médiateur y tient le rôle principal.

87Dans la cellule immature, la molécule de récepteur existe sous une forme labile et mobile. Sa durée de vie est de quelques heures et elle diffuse par translation à la surface du neurone. Dès que la cellule entre en activité, sa synthèse s’arrête. Deux catégories de signaux gouvernent ensuite son évolution vers une forme à la fois stable et localisée en des points précis de la surface cellulaire. D’abord le transmetteur se trouve libéré par des terminaisons nerveuses labiles ; ensuite, un ou plusieurs signaux intracellulaires sont émis vers l’intérieur de la cellule par la protéine réceptrice lorsqu’elle est activée. Cette dernière catégorie de signaux assure un couplage fonctionnel entre les premiers contacts synaptiques. L’arrivée conjuguée de ces deux types de signaux sur la même molécule de récepteur la fige sur place dans un état sinon « éternel », du moins beaucoup plus résistant à la dégradation. Si l’un des deux signaux manque, une plage de récepteur stable ne se forme pas ou régresse.

88L’activité nerveuse s’exprimera par des concentrations différentes, des rythmes de production variés de médiateur et de signal interne. On conçoit que, dans ces conditions, le récepteur s’accumule sous certaines synapses et pas sous d’autres. Les terminaisons nerveuses situées au-dessus des surfaces denses en récepteur seraient en retour sujettes à une stabilisation venue du récepteur.

89Vrai ou faux, ce schéma a au moins le mérite de suggérer des expériences. Il permet d’envisager sérieusement la possibilité de comprendre une propriété unique à l’ordinateur cérébral, la propriété de modifier dans des limites très étroites son propre câblage, en fonction des signaux qui y circulent.

90Cette théorie de l’apprentissage est une théorie « sélective ». Elle s’oppose radicalement aux théories « instructives » qui postulent par exemple que l’activité nerveuse oriente la croissance des terminaisons nerveuses vers la cible convenable. Elle ne requiert pas l’apparition de nouvelles espèces moléculaires comme le demandent Hyden, Ungar et même Szilard. Au contraire, selon elle, « apprendre c’est éliminer ».

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91Mes chers collègues, on ne peut légitimement conclure la présentation d’un thème aussi vaste que celui des communications cellulaires sans tenter de l’insérer, ne serait-ce qu’en quelques mots, dans une perspective évolutive.

92Le principe d’économie a sa logique, puisque dans le milieu terrestre où se développent les êtres vivants les moyens sont limités. Relèvent sans doute de la même logique les deux tendances complémentaires d’accroissement et de diversification des échanges. Elles permettent l’exploration de nouvelles sphères écologiques. L’organisme en retire des moyens encore inemployés et les utilise pour croître et se multiplier. Il peut aussi finir par les détruire !

93La faculté d’apprentissage permet un élargissement significatif de cette conquête du monde. Avec elle, l’organisme adapte, voire renouvelle à un rythme accéléré les communications qu’il échange avec son environnement. Il devient réceptif à une combinatoire mobile de signes qu’il sait aussi produire. Circonscrite par les limites de l’ordinateur cérébral, cette combinatoire évolue désormais pour son propre compte. Une culture s’installe.

94L’acquisition de performances nouvelles par l’apprentissage s’accomplit en des laps de temps extrêmement brefs. Des durées beaucoup plus longues seraient requises pour que les mêmes performances se développent par l’évolution du génome. On conçoit qu’une fois apparu, l’apprentissage se maintienne. Suivant les termes de la théorie qui vient de vous en être proposée, le prix à payer en gènes pour acquérir cette faculté « cellulaire » n’a pas dû être très élevé. Pour des raisons qui ne sont pas encore claires, le stock total de gènes se stabilise à une valeur constante et relativement faible au cours de l’évolution des mammifères. En dépit de cela, la complexité du système nerveux continue de s’accroître. Devant la difficulté à programmer le système, le déterminisme génétique se relâche, la fluctuation de la connectivité s’amplifie. L’apprentissage apparaît comme la résultante d’une complexification à nombre de gènes constant.

95La fluctuation de la connectivité s’ajoute à une fluctuation d’un autre ordre, celle du matériel génétique. Les théories modernes de l’évolution, on le sait, se fondent sur la mutabilité spontanée des gènes chromosomiques et sur leur recombinaison. Dans ce cas comme dans celui de l’apprentissage, la stabilisation d’une fluctuation engendre une « forme » nouvelle. Des générations entières sont requises pour que les variations héréditaires du génome se stabilisent. L’empreinte de l’environnement marque le réseau nerveux en des temps beaucoup plus brefs. La fluctuation connexionnelle de l’individu se superpose à celle de son ascendance. Elle en prend le relais.

96Les facteurs qui décident de la stabilisation des fluctuations géniques restent très obscurs. Si l’on suit les théoriciens modernes de l’Évolution comme Kimura ou Jacquard, la redistribution aléatoire des gènes au sein d’une population hétérogène, par exemple à la suite d’un isolement géographique, suffirait pour expliquer la diversification des espèces.

97Les données actuelles de la biologie du système nerveux laissent entrevoir, plus concrètement, comment « apprendre » peut résulter de la stabilisation sélective d’une fluctuation connexionnelle. Il apparaît désormais concevable que les opérations élémentaires de la pensée soient un jour décrites en termes de communications cellulaires.

Auteur

Professeur au Collège de France

© Collège de France, 1976

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