Comment notre cerveau est-il devenu si gourmand en énergie ?

C’est l’un des grands paradoxes de l’évolution : bien que le gros cerveau humain soit crucial pour son succès évolutif, il demeure exceptionnellement rare parmi les autres espèces animales. La plupart des animaux se contentent de cerveaux de taille modeste, sans montrer de besoin apparent pour des cerveaux aussi développés que celui de l’homme.

Les biologistes s’accordent généralement sur une explication : les gros cerveaux sont énergétiquement coûteux à entretenir. Selon les principes de la sélection naturelle, les avantages de posséder un tel organe ne compenseraient pas les coûts associés. Cependant, cette question ne se résume-t-elle qu’à une question de taille ? Pourrait-il y avoir d’autres facteurs qui influencent le coût énergétique de nos cerveaux ? Une nouvelle recherche publiée dans Science Advances apporte des perspectives intéressantes à ce débat.

Comparés à d’autres organes, nos cerveaux sont parmi les plus énergivores. Alors que les os, par exemple, requièrent relativement peu d’énergie malgré leur poids significatif, nos cerveaux, même au repos, utilisent environ 20 % de notre métabolisme total, bien qu’ils ne représentent que 2 % de notre poids corporel.

Pour la plupart des animaux, supporter un tel coût énergétique pour un organe comme le cerveau ne serait pas justifié. Cependant, les humains ont trouvé des moyens de compenser ces coûts apparents et d’en tirer des bénéfices considérables, un mystère fascinant de l’évolution humaine.

Une question persiste : nos cerveaux humains, en raison de leur organisation particulière, sont-ils intrinsèquement plus coûteux à entretenir ? Est-ce que les activités cognitives comme la réflexion, la communication ou même la conscience de soi nécessitent davantage d’énergie que les fonctions quotidiennes des autres animaux ?

Cette nouvelle étude dirigée par Valentin Riedl de l’université technique de Munich, en Allemagne, tente de répondre à ces questions en examinant la structure neuronale de base et la densité neuronale, des aspects cruciaux pour comprendre l’intelligence et le coût énergétique associé. Ils étaient conscients que lors de l’évolution humaine, le néocortex – la partie la plus développée de la couche externe du cerveau, connue sous le nom de cortex cérébral – s’est développé à un rythme plus rapide que les autres régions. Cette région, comprenant notamment le cortex préfrontal, est essentielle pour des fonctions cognitives avancées telles que l’attention, la réflexion, la planification, la perception et la mémoire épisodique.

Ces observations ont conduit les chercheurs à s’interroger sur une éventuelle variation des coûts énergétiques selon les différentes régions du cerveau.

L’équipe a examiné le cerveau de 30 individus en utilisant une méthode permettant de mesurer simultanément le métabolisme du glucose – indicateur de la consommation d’énergie – ainsi que les échanges neuroniques dans le cortex. Cela leur a permis d’analyser la corrélation entre ces deux aspects et de déterminer si les différentes zones du cerveau avaient des besoins énergétiques distincts.

Les résultats sont surprenants.

Pour les neurobiologistes, ces découvertes offrent déjà une base solide pour une analyse minutieuse. Les chercheurs ont observé une différence significative dans la consommation d’énergie entre les différentes régions du cerveau. Il est clair que toutes les parties du cerveau ne sont pas équivalentes sur le plan énergétique.

Les parties les plus développées du cerveau humain présentent des coûts énergétiques plus élevés que prévu. Par exemple, le néocortex nécessite environ 67 % plus d’énergie que les réseaux qui contrôlent nos mouvements.

Cette augmentation des coûts métaboliques des cerveaux humains au cours de l’évolution est particulièrement marquée par le développement accéléré du néocortex par rapport au reste du cerveau.

Pourquoi cette évolution s’est-elle produite ainsi ? Après tout, un neurone reste un neurone. Cependant, le néocortex est directement lié aux fonctions cognitives supérieures.

Les signaux transmis dans cette région sont médiés par des neurotransmetteurs tels que la sérotonine, la dopamine et la noradrénaline, qui établissent des circuits dans le cerveau pour maintenir un niveau d’excitation nécessaire au fonctionnement cognitif avancé, incluant la mémoire et la réflexion.

En d’autres termes, la nécessité d’un niveau d’activité cérébrale plus élevé pour soutenir notre cognition avancée semble expliquer le coût énergétique plus élevé associé au néocortex. Ces découvertes suggèrent que l’évolution du cerveau humain vers des niveaux de cognition avancée ne résulte pas seulement de sa taille accrue ou du développement disproportionné de certaines zones, mais également de l’amélioration de la connectivité neuronale.

Bien que de nombreux animaux dotés de gros cerveaux, tels que les éléphants et les orques, soient très intelligents, il semble que développer les circuits spécifiques nécessaires à une cognition humaine de haut niveau soit une autre histoire.

Ces résultats nous aident à comprendre pourquoi les gros cerveaux sont rares : augmenter la taille du cerveau implique également des coûts additionnels, ce qui nécessite une source d’énergie fiable et de qualité, un élément crucial exploré au cours des derniers millions d’années de l’évolution humaine pour comprendre comment nos ancêtres ont surmonté ces défis énergétiques pour développer une cognition avancée.