Des chercheurs de Stanford Medicine ont découvert que le cerveau humain se compose de deux organes distincts ayant évolué séparément sur des centaines de millions d’années, remettant en cause le modèle classique d’un développement à partir d’une cellule progénitrice unique.
Pendant des siècles, la science a appréhendé le cerveau comme un ensemble unifié. Cette vision unitaire vient d’être bouleversée par des travaux menés à Stanford Medicine et publiés dans la revue Nature Neuroscience le 18 septembre. L’équipe a mis en évidence que le cerveau humain réunit deux systèmes nerveux primitifs assemblés au fil de l’évolution, le professeur associé de biologie du développement Kyle Loh figurant comme auteur senior de ces recherches menées avec les étudiants diplômés Carolyn Dundes et Rayyan Jokhai, tous deux co-premiers auteurs de l’étude selon les communications de Stanford Medicine.
L’origine double des cellules progénitrices du cerveau
Pendant des décennies, la communauté scientifique a admis qu’une seule cellule progénitrice précoce donnait naissance à l’intégralité de l’encéphale. En étudiant les embryons de souris, les chercheurs ont identifié deux populations cellulaires mutuellement exclusives dès la phase de gastrulation, l’étape où le corps organise ses premières formes. Comme le détaille l’équipe de Stanford, la chromatine présente des profils d’accessibilité de l’ADN totalement distincts entre ces deux populations cellulaires.
Les cellules marquées par le gène Otx2 forment le prosencéphale et le mésencéphale, c’est-à-dire l’avant et le milieu du cerveau. En parallèle, les cellules exprimant le gène Gbx2 s’engagent exclusivement dans la construction du rhombencéphale, le tronc cérébral ou l’arrière du cerveau. Ces deux ensembles de bâtisseurs biologiques ne se croisent jamais. Néanmoins, un bémol a été soulevé par le neurobiologiste Alex Pollen de l’Université de Californie à San Francisco, qui a indiqué qu’il demeure difficile de prouver avec certitude absolue que ces deux populations cellulaires distinctes ne proviennent pas initialement d’un progéniteur unique de courte durée.
« Nous avons montré pour la première fois que l’avant du cerveau provient d’une cellule progénitrice totalement différente de celle de l’arrière du cerveau »,
Kyle Loh, professeur associé de biologie du développement à Stanford University
Une architecture ancienne façonnée par 550 millions d’années d’évolution
L’avant du cerveau gère la pensée abstraite, le langage, la poésie et les mathématiques. De son côté, l’arrière pilote les automatismes vitaux comme la respiration, le sommeil, les envies de nourriture ainsi que les muscles du visage, de la langue et de la gorge influençant la parole et la déglutition. Selon les chercheurs, l’évolution a rapproché physiquement deux systèmes nerveux indépendants pour former une structure unique, une configuration qui rappelle comment l’évolution a pu assembler des programmes de développement d’abord séparés.
L’analyse comparée menée sur des embryons de poulets, de poissons zèbres et de vers glandulaires montre que cette dualité remonte à au moins 550 millions d’années, bien que les méduses — qui ont divergé de notre lignée il y a environ 600 à 700 millions d’années — possèdent des systèmes nerveux séparés.
Perspectives thérapeutiques pour la sclérose latérale amyotrophique et l’amyotrophie spinale
Cette découverte éclaire les difficultés rencontrées depuis des décennies pour cultiver des neurones du tronc cérébral en laboratoire. Les tentatives antérieures échouaient parce qu’elles cherchaient à transformer des progéniteurs de l’avant du cerveau en cellules de l’arrière, ce qui est biologiquement impossible, comme l’explique l’étude dirigée par l’équipe de Stanford.
En partant des bons progéniteurs issus de cellules souches pluripotentes humaines, l’équipe a réussi à produire pour la première fois des neurones moteurs du rhombencéphale in vitro, lesquels expriment les gènes adéquats, produisent de l’acétylcholine et génèrent des potentiels d’action. Cette avancée ouvre de nouvelles voies pour étudier des pathologies graves touchant le tronc cérébral, telles que l’amyotrophie spinale (SMA), une cause génétique majeure de décès chez les nourrissons de moins d’un an, et la sclérose latérale amyotrophique (SLA ou maladie de Lou Gehrig), souvent diagnostiquée entre 40 et 70 ans, où les neurones moteurs cessent progressivement de fonctionner et entraînent la perte de la déglutition et de la respiration.