Le cerveau se développe par étapes et il est important que certaines cellules se forment avant les autres afin que des connexions neuronales précises puissent émerger plus tard. Mais les modèles miniatures du cerveau, appelés organoïdes, ne partagent peut-être pas cette même notion du temps, selon une nouvelle étude.
Ces organoïdes cérébraux sont des groupes de neurones cultivés en laboratoire qui imitent les aspects structurels et fonctionnels des cerveaux de taille réelle. Certains scientifiques utilisent ces « mini-cerveaux » pour étudier les troubles cérébraux pouvant survenir au cours du développement fœtal.
Si les processus précisément programmés impliqués dans le développement du cerveau tournent mal, cela peut conduire à des conditions telles que macrocéphalie et microcéphalie dans lequel le cerveau devient anormalement grand ou petit, a déclaré le co-auteur de l’étude Simon Hippenmeyerneuroscientifique à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche.
Puisqu’il n’est pas possible d’étudier directement ces conditions chez les fœtus humains, des scientifiques comme Hippenmeyer se tournent vers les organoïdes cérébraux. Mais la nouvelle étude, publiée le 12 août dans la revue Naturesuggère que les organoïdes pourraient manquer de certains ingrédients cruciaux qui les aideraient à ressembler à de vrais cerveaux.
Une question de temps
Dans des expériences antérieures sur des sourisl’équipe de Hippenmeyer a suivi les cellules souches qui fabriquent les neurones, appelées progéniteurs gliaux radiaux (RGP), au début du développement embryonnaire. Pour ce faire, ils ont administré à des souris enceintes un médicament qui activait les marqueurs fluorescents sur les cellules souches individuelles. Ensuite, ils ont retracé les lignées résultantes de ces cellules souches après la naissance pour voir combien de cellules elles produisaient et comment ce nombre évoluait à mesure que le développement progressait.
Dans la nouvelle étude, ils ont utilisé ces données comme référence pour comparer avec les organoïdes cérébraux cultivés à partir de cellules souches embryonnaires de souris. Ils visaient à voir si la séquence de développement des organoïdes ressemblait à celle du vrai cerveau.
Les organoïdes ont produit les mêmes principaux types de cellules que le vrai cerveau, a découvert l’équipe. Cependant, la séquence de développement n’a pas été préservée.
Au cours du développement normal du cerveau, les RGP du cortex cérébral – les tissus les plus externes du cerveau – se divisent pour augmenter leur nombre, puis se différencient, formant des neurones et des cellules gliales, qui aident à soutenir, nourrir et isoler les neurones. Cependant, dans les organoïdes, certains RGP formaient des neurones trop tôt, tandis que d’autres proliféraient encore.
Normalement, les RGP des stades ultérieurs du développement produisent moins de descendants que les cellules souches au début du développement. Mais dans les organoïdes, ils ont produit davantage de descendants, quel que soit le délai de développement.
Après avoir observé ces modèles, l’équipe a étudié la variété de neurones qu’un seul RGP pourrait produire dans un organoïde. Le cortex est constitué de six couches de tissus et, normalement, un RGP individuel peut produire à la fois des neurones des couches plus profondes (au début du développement) et des neurones des couches supérieures (aux stades ultérieurs). Mais dans les organoïdes, environ un tiers des RGP se sont limités à un seul de ces destins et n’ont donc pas pu produire l’autre type de neurone.
Dans un vrai cerveau, a noté Hippenmeyer, il existe des vaisseaux sanguins, des structures extracellulaires et des signaux métaboliques qui affectent le développement de l’organe mais sont absents dans l’organoïde. Les chercheurs pensent que ces signaux externes pourraient aider à coordonner le développement neuronal et la formation ultérieure des circuits neuronaux.
« Cela suggère qu’il y a quelque chose dans l’environnement local des cellules (dans le cerveau) qui donne naissance aux neurones », a déclaré Denis Jabaudonneurobiologiste à l’Université de Genève qui n’a pas participé à l’étude. Cependant, les scientifiques ne comprennent pas encore précisément ce que sont ces signaux, a déclaré Jabaudon.
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Pour que les neurones se trouvent, ils doivent être au bon endroit au bon moment, a ajouté Jabaudon. « Donc, si vous modifiez le calendrier du développement, vous allez modifier les opportunités de connexions et les opportunités de circuits spécifiques » à former, a-t-il déclaré à Live Science.
Identifier ce qui manque dans ces organoïdes impliquera d’identifier et d’étudier les signaux externes que les neurones reçoivent dans le cerveau vivant. Ensuite, les scientifiques peuvent identifier les différences entre les vrais cerveaux et les organoïdes qui nous informent sur la façon dont le processus se produit naturellement, a déclaré Hippenmeyer.
Une fois ces ingrédients manquants identifiés, cela pourrait « ouvrir la porte » à la réintégration systématique de ces signaux dans les organoïdes d’une manière qui imiterait fidèlement le cerveau réel, a-t-il déclaré à Live Science. Hippenmeyer a ajouté que l’équipe prévoit également de cultiver des organoïdes cérébraux avec des cellules humaines et d’étudier les mêmes questions.
« Nous sommes très désireux de découvrir comment ces cellules souches gliales radiales se comporteraient dans un système humain », a-t-il déclaré à Live Science.
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