Pourquoi l’activité physique maintient-elle le cerveau en bonne santé ?

Les premières indications de l’influence des muscles sur le cerveau

L’étude pour comprendre comment l’exercice génère des molécules directement bénéfiques au vieillissement cérébral a débuté il y a 25 ans avec la publication de deux articles d’Henriette van Praag, spécialiste postdoctorale en Institut Salk d’études biologiques en Californie. Ces études ont examiné le cerveau de souris adultes qui avaient passé du temps au volant, par rapport à des souris qui ne l’avaient pas fait. Les données ont montré pour la première fois chez des mammifères que l’exercice favorisait la naissance de nouveaux neurones, appelés neurogenèse, dans le cerveau de souris adultes. À ces changements s’ajoutent des améliorations de la mémoire spatiale et de l’apprentissage.

Van Praag, qui est maintenant professeur agrégé de la Institut du cerveau Stiles-Nicholson de la Université de l’Atlantique de Floride, dit que la découverte a été facilitée par des circonstances heureuses. Dans une étude précédente, les chercheurs ont noté des signes que les composants d’un environnement enrichi, où les souris avaient accès à divers stimuli, tels que des abris ou des jouets, généraient de nouveaux neurones. Alors le savant a décidé de trouver le facteur discriminant. “La course à pied n’était vraiment qu’un des facteurs que j’ai étudiés”, ajoute-t-il en riant.

Les travaux de Van Praag jouent un rôle important en reliant la course à la neurogenèse et à l’amélioration de la fonction cérébrale, un aspect important non seulement pour la communauté neurobiologique, mais aussi une condition préalable pour les chercheurs concernés par l’activité musculaire et physique pour explorer l’interaction entre l’entraînement, pour étudier les muscles et cerveaux », explique Handschin.

En 2002, Bruce Spiegelman, biologiste cellulaire de la Institut du cancer Dana-Farber et le École de médecine de Harvardétudiait une protéine appelée PCG1-alpha qui régule le métabolisme du corps en activant et désactivant des gènes lorsqu’il a découvert que l’augmentation de la quantité de cette protéine chez les souris rendait leurs muscles plus forts, plus rouges et remplis de vaisseaux sanguins, comme si l’animal était dur. formé dans la salle de gym – alors qu’il n’avait jamais tapoté sur un tapis roulant auparavant.

À peu près à la même époque, les scientifiques ont commencé à comprendre que le mouvement musculaire produisait des hormones et d’autres molécules appelées myokines, qui étaient libérées dans la circulation sanguine et profitaient aux organes distants. Ainsi, la découverte de PGC1-alpha a conduit Spiegelman à se demander si cette protéine rend les muscles similaires à ceux qui font de l’exercice, “peut-être qu’elle incite également les muscles à sécréter les substances produites par l’activité physique”. Il a ensuite utilisé la protéine pour trouver les molécules responsables des précieux changements du métabolisme et de la fonction immunitaire que l’exercice aide.

La recherche a culminé en 2012 lorsque Spiegelman et ses collègues ont découvert l’irisine, une myokine libérée par les muscles de l’exercice. Les scientifiques ont découvert que l’irisine convertit le tissu adipeux blanc en tissu adipeux beige. Parce que ces derniers brûlent des calories, contrairement aux blancs qui les stockent, Spiegelman pensait que l’irisine était essentielle pour comprendre comment l’activité physique combat l’obésité et le diabète.

D’autres pièces du puzzle se sont mises en place l’année suivante lorsque Christiane Wrann, alors chercheuse postdoctorale travaillant à Spiegelman, a montré que les muscles “communiquent” d’une manière ou d’une autre avec le cerveau pendant l’activité physique. Lorsque les cellules musculaires fabriquent l’irisine, l’irisine augmente les niveaux d’une autre protéine appelée facteur neurotrophique cérébral (BDNFde l’anglais Facteur neurotrophique dérivé du cerveau) dans l’hippocampe, l’une des premières régions cérébrales à subir des modifications dans les maladies neurodégénératives. ici le BDNF favorise la santé et la croissance des synapses et des neurones, les aide à mûrir et améliore la plasticité des synapses.

L’année dernière, Wrann, aujourd’hui neuroscientifique du Hôpital général du Massachusetts et de École de médecine de Harvard, ont testé le rôle de l’irisine dans l’activité physique et la fonction cognitive. Son équipe a comparé des souris qui avaient été génétiquement modifiées pour être exemptes de cette hormone avec des souris témoins qui produisaient encore cette molécule. Après une activité physique, les souris témoins ont obtenu de meilleures performances dans une activité basée sur la mémoire spatiale et l’apprentissage. Étant donné que les souris sans irisine n’ont pas montré la même amélioration, on pourrait supposer que la molécule a favorisé les capacités cognitives.

Lorsqu’ils ont examiné le cerveau des souris, l’équipe de Wrann a noté que les deux groupes avaient produit des neurones à la suite d’une activité physique, mais que les nouveaux neurones des souris sans irisine étaient anormaux, affectant leur capacité à former des connexions. Lorsque le gène responsable de la fabrication de l’irisine a été réintroduit dans des cerveaux dépourvus de la protéine, les souris ont eu moins de mal à distinguer deux schémas similaires – une compétence pratique pour les humains, par exemple, transformer une voiture en parking pour se moquer.

Activité physique et maladies neurodégénératives

L’équipe de Wrann a également découvert que l’irisine semblait jouer un rôle dans la protection contre les processus neurodégénératifs. Les chercheurs ont élevé des souris dépourvues d’irisine et présentant des symptômes de type Alzheimer. Ces souris à double handicap ont montré des symptômes plus rapidement que les souris atteintes de la maladie d’Alzheimer seule et ont montré des progrès cognitifs à mesure que la production d’irisine était rétablie.

Wrann suppose que l’une des contributions de l’irisine est de réduire l’inflammation causée par des dysfonctionnements du système immunitaire du cerveau. Ce système est principalement composé de cellules microgliales et d’astrocytes, qui ont normalement pour tâche de réduire les infections cérébrales et de nettoyer les débris après une blessure. À mesure que les mammifères vieillissent, ces cellules peuvent rester actives même après la fin du danger aigu, perturbant la fonction neuronale en détruisant d’abord les connexions entre les neurones, puis en tuant les cellules elles-mêmes.

Cette activité provoque une inflammation chronique du cerveau impliquée dans de nombreuses maladies neurodégénératives, dont la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson. Mais les souris de laboratoire traitées à l’irisine avaient moins d’inflammation dans l’hippocampe, et les cellules microgliales et les astrocytes avaient rétréci, indiquant que l’irisine avait aidé à réduire la réponse immunitaire incontrôlable.

Ces découvertes s’appliquent-elles donc aux humains ? Peut-être, selon une étude préliminaire menée dans le laboratoire de Wrann et par d’autres équipes. L’irisine a une structure moléculaire identique chez les souris et les humains, explique le scientifique, il est donc possible qu’elle ait des fonctions similaires chez les deux espèces.

Les résultats ont des implications intéressantes pour les avantages neurologiques de l’activité physique, car des études montrent des niveaux élevés d’irisine dans le sang humain après l’exercice. D’autre part, des analyses d’autopsie du cerveau de patients atteints d’Alzheimer révèlent une réduction de 70 % du précurseur de l’irisine, par rapport à des témoins appariés selon l’âge, suggérant que cette hormone pourrait avoir une fonction neuroprotectrice.

D’un point de vue thérapeutique, “l’irisine est certainement prometteuse”, explique Handschin, “surtout lorsque nous examinons les données sur ses effets dans le cerveau”. Mais l’expert avertit que l’irisine n’a pas encore passé la longue série de tests qui façonnent la voie du développement de médicaments. “Il reste à voir si cela fonctionne chez l’homme.”

Dépression, anxiété et troubles de l’humeur

Handschin s’intéresse personnellement aux interactions entre les muscles, l’activité physique, l’humeur et la motivation. Dans une étude non publiée, son équipe a examiné les effets de certaines molécules produites par l’entraînement musculaire sur la volonté des souris de courir derrière le volant. Les animaux dépourvus de ces facteurs peuvent courir, mais décident de ne pas le faire, un comportement inhabituel pour une souris, qui court généralement près de 6 miles par jour.

“Il doit y avoir quelque chose dans le muscle qui renvoie un signal au cerveau et réduit d’une manière ou d’une autre l’envie de courir pour le plaisir”, explique Handschin.

La perspective de nouveaux traitements pour les troubles de l’humeur, en particulier la dépression majeure, est également attrayante pour Spiegelman, qui les considère comme les plus grands besoins non satisfaits de la médecine. “La dépression sévère est la principale cause de suicide et est particulièrement fréquente chez les jeunes”, ajoute-t-il. Actuellement, le biologiste et ses collègues évaluent l’impact de l’irisine sur la dépression induite par l’anxiété dans des modèles expérimentaux chez la souris.

Et pendant l’entraînement, le cerveau ne se contente pas de “converser” avec les muscles. L’interaction avec les molécules, en particulier les protéines, sécrétées par le foie, les graisses et les os remodèle le cerveau en affinant la pensée, en protégeant contre la dépression et bien plus encore.

Avec des candidats-médicaments potentiels – y compris l’irisine – à l’horizon, Rodriguez de l’Université de l’Alabama estime que “nous sommes à un pas d’une formidable ère de percées qui se traduiront éventuellement dans le cadre clinique”.

Mais l’explosion de la recherche sur l’interaction muscle-cerveau s’accompagne d’un honneur et d’un fardeau, note Karina Alviña, professeure adjointe de neurosciences à la faculté de médecine de l’Université de Floride. Les molécules pertinentes affectent plusieurs systèmes de différentes manières, ce qui signifie qu’elles ont une portée potentiellement importante, mais naviguer dans les nombreuses interdépendances peut être délicat. Concevoir un médicament qui n’ait pas de conséquences indésirables sera un défi majeur.

Pourtant, selon Alviña, il y a une lueur d’espoir dans les recherches qu’elle a menées avec d’autres scientifiques : “L’environnement et le choix de notre mode de vie peuvent avoir un impact énorme sur la façon dont nous vieillissons”, déclare Alviña. Cela signifie que nous avons le pouvoir de vieillir en meilleure santé et de maintenir une meilleure qualité de vie plus longtemps.

« Donc, si je devais tout résumer en un seul concept, je dirais de rester actif, même s’il ne s’agit que de marcher quelques minutes par jour. Si vous le pouvez, faites-le.”

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