Le cerveau est-il réellement composé de 2 systèmes nerveux réunis ? Une nouvelle étude affirme que c’est le cas.

Des recherches récentes remettent en question une idée de longue date sur la façon dont le cerveau se développe : plutôt que de provenir d’une source unique, le cerveau peut émerger de deux populations distinctes de cellules, selon l’étude.

« Le cerveau apparaît comme un seul organe », a déclaré le co-auteur de l’étude Kyle Lohprofesseur agrégé de biologie du développement à l’Université de Stanford. « Cependant, nous avons découvert que la partie avant et la partie arrière du cerveau proviennent de sources différentes, qui sont rapprochées pour créer l’apparence d’un seul organe », a déclaré Loh à Live Science dans un e-mail.

Les résultats, publiés en septembre dans la revue Neurosciences naturellespas seulement un défi modèles établis de la façon dont le cerveau se forme mais cela peut aussi expliquer pourquoi les chercheurs ont eu du mal à cultiver certains types de cellules cérébrales en laboratoire. Les scientifiques affirment que ces travaux pourraient offrir de nouvelles façons d’étudier les maladies qui affectent le tronc cérébral, la « tige » qui relie le cerveau à la moelle épinière.

Deux parcours de développement

Le cerveau humain est divisé en trois régions principales – appelés cerveau antérieur, mésencéphale et cerveau postérieur – qui remplissent des fonctions différentes mais interconnectées.

Le cerveau antérieurqui comprend les hémisphères cérébraux, est impliqué dans des processus cognitifs de niveau supérieur, tels que le langage, la planification et la pensée abstraite. Le mésencéphale, la partie supérieure du tronc cérébral, relie le cerveau antérieur et le cerveau postérieur et agit comme un centre de relais clé pour les informations sensorielles et le contrôle des mouvements. Le cerveau postérieur – qui comprend la partie inférieure du tronc cérébral, ainsi que d’autres structures – aide également à coordonner les mouvements et à réguler les fonctions essentielles telles que la respiration, dormir et la fréquence cardiaque.

Historiquement, le cerveau postérieur a été difficile à étudier. L’une des raisons est que les scientifiques ont été confrontés à des défis persistants pour générer des neurones fonctionnels du cerveau postérieur dans des conditions de laboratoire.

Pour aider à comprendre pourquoi, Loh et son équipe ont examiné les premiers stades du développement embryonnaire chez des souris de laboratoire. Ils se sont concentrés sur gastrulationle moment où les cellules commencent à s’organiser en structures qui formeront plus tard différents organes. Les chercheurs ont identifié deux populations distinctes de cellules immatures qui donneraient naissance aux tissus du système nerveux, y compris le cerveau.

Une population cellulaire exprimait un gène appelé otx2qui aide à diriger le développement précoce du cerveau antérieur et du mésencéphale. Le deuxième groupe de cellules exprimait le gène Gbx2qui est impliqué dans le développement du mésencéphale et du cerveau postérieur.

Les fonctions de ces gènes étaient déjà connues, mais leur expression distincte dans ces deux groupes de cellules a été révélée par la nouvelle recherche. Les populations cellulaires sont restées distinctes à mesure qu’elles se sont développées en tissu nerveux à part entière, plutôt que de se chevaucher.

L’équipe a également examiné chromatinela structure moléculaire qui emballe étroitement l’ADN à l’intérieur du noyau et aide à réguler les gènes qu’une cellule peut utiliser. L’équipe a découvert que les deux populations cellulaires présentent des configurations de chromatine différentes, ce qui conforte l’idée selon laquelle elles suivent des voies de développement distinctes.

Cela pourrait aider à expliquer pourquoi les tentatives des scientifiques visant à développer des neurones du cerveau postérieur ont été largement infructueuses.

« Les tentatives précédentes visant à créer des neurones du cerveau postérieur ont probablement tenté d’amadouer les progéniteurs du cerveau antérieur et du mésencéphale dans les cellules du cerveau postérieur, ce qui, selon notre étude, n’est pas possible », co-auteur de l’étude. Rayyan Jokhaiétudiant diplômé du laboratoire de Loh, a déclaré dans un communiqué.

Pourquoi c’est important

Grâce aux informations découvertes lors de leurs expériences, les chercheurs ont réussi à guider les humains cellules souches pour se transformer en motoneurones fonctionnels du cerveau postérieur, impliqués dans le contrôle des mouvements. Plus précisément, ces cellules ont produit des protéines caractéristiques des régions difficiles à développer du cerveau postérieur qui aident à contrôler les muscles du visage et ceux impliqués dans la déglutition.

Dans plusieurs maladies neurologiques, dont atrophie musculaire spinale et sclérose latérale amyotrophiqueles motoneurones se détériorent et les patients affectés peuvent perdre leur capacité à avaler, à parler et à respirer de manière autonome.

« Nous ne pouvons pas prélever des motoneurones vivants dans le cerveau postérieur d’un patient pour observer comment ces maladies attaquent ces neurones », a déclaré Loh. « La culture de ces motoneurones du cerveau postérieur dans une assiette nous permet d’étudier ces maladies. » Pour l’avenir, l’équipe vise à utiliser leurs résultats pour étudier ces maladies et identifier de nouveaux traitements.

Les nouvelles découvertes pourraient également révéler quelque chose de fondamental sur l’évolution des animaux vertébrés.

Les auteurs de l’étude ont cherché à savoir si les deux voies de développement étaient uniques aux humains ou reflétaient un arrangement évolutif beaucoup plus ancien. Ils se sont tournés vers des données précédemment publiées sur d’autres espèces, notamment les macaques (Macaca), le poisson zèbre (Danio Rério) et les poules (Gallus gallus domestique) – et a de nouveau trouvé deux populations cellulaires distinctes exprimant les deux gènes clés.

Et même chez les vers glands – un invertébré marin dont l’évolution a divergé de celle des vertébrés il y a environ 550 millions d’années – ils ont de nouveau trouvé ces deux groupes distincts de cellules.

« La découverte de Stanford établit que l’ascendance profonde du cerveau des vertébrés est fondamentalement modulaire », a déclaré Anna Di Cosmoprofesseur de biologie à l’Université Federico II de Naples en Italie, qui n’a pas participé à l’étude. « La séparation développementale entre la lignée antérieure (cerveau antérieur/mésencéphale) et la lignée postérieure (cerveau postérieur) est visiblement ancienne », a déclaré Cosmo à Live Science dans un e-mail.

L’équipe de Loh suppose que ces trajectoires de développement observées dans l’utérus pourraient suggérer que les deux populations cellulaires appartenaient autrefois à deux systèmes nerveux distincts. « Plus tard au cours de l’évolution, ces deux systèmes nerveux ont peut-être été rapprochés pour donner naissance à l’apparition d’un seul cerveau intégré », a déclaré Loh.

Cependant, l’étude ne révèle pas exactement quand les deux voies sont apparues ni comment elles se sont intégrées. « Il est important de souligner qu’il ne s’agit que d’une idée et qu’elle pourrait changer à mesure que les scientifiques en apprendront davantage », a déclaré Loh.

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