Publié le 7 janvier 2024 22:00:00. Des chercheurs japonais ont réussi à recréer en laboratoire des circuits cérébraux humains fonctionnels, une avancée majeure qui pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la compréhension et le traitement des troubles neurologiques et psychiatriques.
- Une équipe de l’Université de Nagoya a assemblé des organoïdes – des modèles miniatures de cerveau – pour observer l’interaction entre le thalamus et le cortex cérébral.
- Les scientifiques ont constaté que le thalamus accélère la maturation du cortex, un processus crucial pour le développement normal du cerveau.
- Cette technique innovante pourrait permettre d’étudier les mécanismes à l’origine de maladies comme l’autisme et de développer de nouvelles thérapies.
Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à reproduire en laboratoire des interactions neuronales complexes, imitant ainsi certains aspects du fonctionnement du cerveau humain. L’équipe du professeur Fumitaka Osakada à l’Université de Nagoya a utilisé une technologie de pointe basée sur des organoïdes, de minuscules structures tridimensionnelles cultivées à partir de cellules souches humaines pluripotentes induites (cellules iPS). Les résultats de cette recherche prometteuse ont été publiés dans la prestigieuse revue Proceedings of the National Academy of Sciences des États-Unis d’Amérique.
Les chercheurs ont commencé par créer séparément des organoïdes représentant le thalamus et le cortex cérébral. Ces organoïdes, bien que miniatures, présentent des caractéristiques similaires à leurs homologues biologiques. En les fusionnant, ils ont pu observer en temps réel les interactions entre ces deux régions clés du cerveau. L’étude a révélé que les fibres nerveuses du thalamus se développaient vers le cortex, et inversement, que des fibres corticales se projetaient vers le thalamus. Ces connexions, appelées synapses, sont essentielles à la communication entre les cellules nerveuses et reproduisent fidèlement celles que l’on retrouve dans le cerveau humain.
Un aspect particulièrement intéressant de cette recherche est le timing du développement des connexions. Les projections du thalamus vers le cortex se sont formées plus tôt que les connexions de retour, ce qui correspond au modèle de développement naturel observé chez les primates. Une analyse de l’activité génétique a confirmé cette observation : le tissu cortical connecté au thalamus présentait des signes de maturité plus avancés que les organoïdes corticaux cultivés isolément. L’expression génique des organoïdes associés correspondait à celle d’un fœtus humain entre 12 et 17 semaines de gestation, tandis que les organoïdes corticaux isolés ne correspondaient qu’à un stade de développement compris entre 8 et 9 semaines.
L’équipe a également constaté une augmentation du nombre de cellules précurseurs et de neurones dans les couches profondes du cerveau au sein des structures connectées. Il est important de noter que la simple proximité des organoïdes, sans fusion directe, était suffisante pour stimuler la prolifération des cellules précurseurs, suggérant que des substances de signalisation émises par le thalamus jouent un rôle clé dans ce processus.
En utilisant l’imagerie calcique, les scientifiques ont étudié la propagation des signaux à travers ces assemblages. Ils ont observé des schémas d’activité ondulatoire partant du thalamus et se propageant vers le cortex. L’analyse plus précise de l’activité neuronale a révélé que seuls deux types de neurones corticaux – les neurones pyramidaux (PT) et corticothalamiques (CT) – présentaient une activité synchrone, c’est-à-dire une coordination temporelle de leurs signaux. Les neurones intratélencéphaliques (IT), en revanche, restaient asynchrones. Des expériences de contrôle, réalisées avec des assemblages de deux organoïdes corticaux sans thalamus, ont confirmé que l’apport thalamique est spécifiquement nécessaire pour induire cette activité synchrone dans les neurones PT et CT.
Cette avancée ouvre des perspectives prometteuses pour la recherche sur les troubles du développement neurologique, tels que les troubles du spectre autistique, où les circuits du cortex cérébral sont souvent perturbés. Comprendre comment ces réseaux se forment et mûrissent est essentiel pour identifier les causes de ces maladies et développer des traitements efficaces.
« Nous avons réalisé des progrès significatifs dans l’approche constructiviste visant à comprendre le cerveau humain en le reproduisant »,
Fumitaka Osakada, professeur à l’Université de Nagoya
Les chercheurs reconnaissent que leur modèle présente encore des limites. Bien que les axones thalamiques aient atteint le cortex, ils n’ont pas formé de faisceaux de fibres aussi organisés que dans le cerveau réel. Pour les études futures, ils envisagent de développer des assemblages plus complexes, intégrant une troisième structure, l’éminence ganglionnaire, qui sert de guide pour la croissance des fibres nerveuses.
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