Apprentissage

Publié le 2024-02-29 10:00:00. Une cartographie cellulaire sans précédent du cerveau humain révèle des moments critiques de son développement, ouvrant de nouvelles perspectives pour comprendre et traiter les troubles neurologiques tels que la schizophrénie et l’autisme.

• La création de la plus vaste carte cellulaire du cerveau humain permet d’identifier les étapes clés où des troubles neurologiques peuvent se développer.
• L’étude, menée dans le cadre de l’Initiative CERVEAU, a révélé que des altérations génétiques et moléculaires précoces peuvent laisser des traces durables sur le fonctionnement cérébral.
• Les chercheurs ont utilisé des technologies de pointe pour étudier le développement du cerveau humain, de la souris et d’autres primates.

Une équipe internationale de scientifiques a dévoilé une carte détaillée du cerveau humain, fruit d’une collaboration ambitieuse soutenue par l’Initiative CERVEAU du National Institute of Health (NIH) aux États-Unis. Publiés dans douze études simultanées dans la revue Nature, ces travaux offrent un aperçu sans précédent des processus biologiques qui sous-tendent le développement cérébral et les origines potentielles de certains troubles neurologiques.

L’analyse révèle que des maladies comme la schizophrénie et d’autres troubles du développement neurologique sont souvent liées à des anomalies génétiques et moléculaires qui se manifestent à des stades précis de la maturation des cellules cérébrales. Plus troublant encore, ces altérations semblent laisser des « empreintes » persistantes, affectant la capacité du cerveau à s’adapter et à compenser d’éventuels dysfonctionnements ultérieurs.

Le projet, dirigé par le Réseau d’atlas cellulaire de l’Initiative BRAIN (BICAN), a mobilisé des technologies de pointe, notamment l’analyse de cellules uniques et des outils d’imagerie spatiale avancés. Ces techniques ont permis d’étudier en détail la formation du cerveau chez l’homme, d’autres primates et la souris, en identifiant les étapes critiques de son développement.

Les chercheurs ont pu suivre la transformation des cellules souches en neurones et en cellules gliales, tout en analysant la régulation de l’activité des gènes au cours du développement.

Selon les auteurs de l’étude, le cerveau humain et celui des mammifères se distinguent par une grande diversité de types de cellules, neuronales et non neuronales. Cette richesse est le fruit de millions d’années d’évolution et se reflète dans le génome, se développant pleinement au cours du processus complexe de développement cérébral.

« Décrypter les événements moléculaires et cellulaires qui se produisent pendant le développement du cerveau nous permettra de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent la manifestation de la diversité des types cellulaires et comment ce processus peut être modifié dans les troubles neurodéveloppementaux. »

Auteurs de l’étude

L’étude révèle que les types de cellules cérébrales apparaissent en « vagues » qui se chevauchent, et que certains programmes de développement peuvent se réactiver à l’âge adulte ou en cas de maladie.

Hongkui Zeng, directeur des sciences du cerveau à l’Allen Institute et l’un des principaux auteurs du projet, a déclaré : « Ces atlas fournissent une carte détaillée de la façon dont les différents types de cellules cérébrales émergent et mûrissent avec le temps. »

Il a souligné que, grâce à cette connaissance précise du moment et du lieu où les gènes clés s’activent pendant le développement, il devient possible de mieux comprendre comment les modifications de ce processus peuvent conduire à des troubles tels que l’autisme ou la schizophrénie. L’équipe de Zeng a analysé plus de 1,2 million de cellules cérébrales.

L’enquête a également montré que la diversification des types neuronaux se poursuit après la naissance, en particulier dans les cellules GABAergiques – responsables de la régulation de l’activité cérébrale – et dans le cortex visuel. Les chercheurs ont reconstitué l’arbre généalogique de ces cellules, identifiant leur origine, leur dispersion et leur spécialisation.

Certaines cellules continuent même à se développer longtemps après la naissance, dans les zones du cerveau associées à l’apprentissage, à la prise de décision et aux émotions.

Une autre étude s’est concentrée sur le développement du cortex visuel, révélant que de nouveaux types de neurones apparaissent à des moments clés, comme l’ouverture des yeux ou les premières expériences visuelles. Cela démontre que les influences sensorielles jouent un rôle beaucoup plus important dans le développement du cerveau qu’on ne le pensait auparavant.

Zeng a ajouté : « La découverte la plus révélatrice a été de constater que les cellules du cerveau continuent de changer et de se diversifier tout au long de la période postnatale. » Selon lui, cette diversification prolongée pourrait expliquer la capacité du cerveau à apprendre, à s’adapter et à acquérir de nouvelles compétences, mais le rend également plus vulnérable aux influences extérieures et plus apte à corriger les dysfonctionnements.

Cette prolongation du développement nous oblige, selon Zeng, à repenser notre compréhension des causes des troubles neuropsychiatriques : différents troubles pourraient impliquer des modifications subtiles à des étapes spécifiques de ce processus, affectant certains types de cellules ou mécanismes cellulaires, ce qui ouvre également des possibilités d’intervention.

Les chercheurs ont également identifié une cellule progénitrice humaine liée au glioblastome, un type de cancer du cerveau, ainsi que les fenêtres temporelles où les risques génétiques de troubles psychiatriques sont les plus élevés.

Le développement du cerveau humain se distingue par une maturation postnatale prolongée, qui peut durer environ 20 ans, contre seulement 35 jours pour la souris. Cette particularité, appelée néoténie, pourrait être à l’origine de capacités cognitives supérieures telles que le langage et l’intelligence.

Le consortium BICAN ambitionne de créer des cartes complètes du développement cellulaire dans l’ensemble du cerveau animal, en superposant les données humaines disponibles et en alignant les résultats sur différentes espèces afin de combler les lacunes actuelles dans nos connaissances.

L’objectif ultime est de réaliser des analyses et des simulations informatiques à grande échelle pour comprendre les forces moléculaires qui déterminent le développement du cerveau, et ainsi lancer des études fonctionnelles sur la genèse des sensations, du comportement et d’autres fonctions cérébrales.

Selon Zeng, cet effort aura un triple impact : « Premièrement, nous comprendrons mieux ce qui rend le cerveau humain unique. Deuxièmement, nous pourrons étudier plus précisément quand et où les cerveaux malades changent, tant dans les tissus humains que dans les modèles animaux. Et troisièmement, ces connaissances nous permettront de concevoir de meilleurs modèles in vitro et des thérapies géniques et cellulaires plus précises pour traiter les maladies neuropsychiatriques. »

Entre 10 et 20 % des enfants reçoivent un diagnostic de trouble du développement neurologique, comme l’autisme ou le trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH). La plupart de ces pathologies ont une forte composante génétique, et des études récentes de séquençage génomique ont identifié des centaines de facteurs de risque génétiques.

Les chercheurs concluent que les ressources de données, les technologies, les outils et les méthodes analytiques développés par BICAN pour la cartographie de haute précision du développement cérébral jetteront les bases d’une meilleure compréhension des caractéristiques uniques du cerveau humain, de la base cellulaire de l’émergence des fonctions et des comportements cérébraux, des mécanismes sous-jacents à la susceptibilité et à la progression des maladies, et des voies menant à des thérapies plus efficaces.