Découvrir l'évolution du cerveau

Découvrir l'évolution du cerveau

Les scientifiques de Salk comparent le développement des cellules cérébrales entre les humains et les primates non humains d'une manière novatrice

LA JOLLA — Qu'est-ce qui fait de nous des humains, et d'où vient cette mystérieuse propriété d'« humanité » ? Les humains sont génétiquement similaires aux chimpanzés et aux bonobos, mais il existe des différences comportementales et cognitives évidentes. Des chercheurs du Salk Institute, en collaboration avec des chercheurs du département d'anthropologie de l'UC San Diego, ont développé une stratégie pour étudier plus facilement le développement précoce des neurones humains en les comparant à ceux des primates non humains. L'étude, parue dans eLife le 7 février 2019, offre aux scientifiques un nouvel outil pour la recherche fondamentale sur le cerveau.

« Cette étude fournit des informations sur l'organisation développementale du cerveau et jette les bases d'analyses comparatives supplémentaires entre les humains et les primates non humains », déclare l'un des auteurs principaux de l'étude, le président et professeur Salk. Jauge rouillée, qui est titulaire de la chaire Vi et John Adler de recherche sur les maladies neurodégénératives liées à l'âge.

Deux processus importants du développement cérébral sont la maturation et la migration des neurones. La maturation implique la croissance des neurones, qui renforcent leurs connexions entre eux pour une meilleure communication. La migration est le déplacement physique des neurones vers différentes parties du cerveau en développement. Les auteurs ont cherché à comparer la maturation et la migration des neurones entre humains et primates non humains.

Pour accomplir cette tâche, le laboratoire Gage a mis au point une nouvelle méthode utilisant la technologie des cellules souches pour prélever des cellules cutanées de primates et les inciter, via un virus et des cocktails chimiques, à se développer en cellules progénitrices neuronales, un type cellulaire capable de se transformer en plusieurs types de cellules cérébrales, dont des neurones. Ces nouvelles lignées cellulaires de primates peuvent ensuite être multipliées en permanence, ouvrant ainsi aux chercheurs de nouvelles perspectives pour étudier les aspects du développement neuronal de neurones vivants, sans prélèvement de tissus provenant de primates menacés comme les chimpanzés et les bonobos.

« Il s'agit d'une stratégie novatrice pour étudier l'évolution humaine », déclare Carol Marchetto, chercheuse principale au Laboratoire de génétique de Salk, co-auteure principale et l'une des principales auteures de l'étude. « Nous sommes heureux de partager ces lignées cellulaires de primates avec la communauté scientifique, afin que les chercheurs du monde entier puissent étudier le développement cérébral des primates sans utiliser d'échantillons de tissus. Nous prévoyons que cela mènera à de nombreuses nouvelles découvertes sur l'évolution du cerveau au cours des prochaines années. »

Les chercheurs ont d'abord exploré les différences d'expression génétique liées au mouvement neuronal, en comparant des cellules humaines, de chimpanzé et de bonobo. Ils ont également étudié les propriétés de migration des neurones propres à chaque espèce. Ils ont identifié 52 gènes liés à la migration et, fait intéressant, les neurones des chimpanzés et des bonobos présentaient des périodes de migration rapide, tandis que les neurones humains étaient lents à se déplacer.

Afin de comparer le mouvement et la maturation des neurones en dehors d'une boîte de Pétri, les scientifiques ont transplanté les cellules progénitrices neuronales d'humains et de chimpanzés dans le cerveau de rongeurs, permettant aux neurones de prospérer et fournissant des signaux de développement supplémentaires pour que les neurones se développent.

Les chercheurs ont ensuite analysé les différences de distance de migration, de forme et de taille des neurones jusqu'à 19 semaines après la transplantation. Ils ont observé la longueur, la densité et la quantité des extensions des neurones, appelées dendrites, ainsi que la taille des corps cellulaires, qui abritent le noyau et l'ADN.

Après deux semaines, les neurones des chimpanzés ont migré sur une plus grande distance et ont couvert une surface 76 % plus grande que les neurones humains. Leur développement a été plus lent, mais ils ont atteint des longueurs supérieures à celles des chimpanzés. Ce modèle de croissance plus lent pourrait permettre aux humains de franchir davantage d'étapes développementales que les primates non humains, ce qui pourrait expliquer les différences de comportement et de capacités cognitives.

À l'avenir, les auteurs espèrent construire un arbre évolutif de plusieurs espèces de primates, en utilisant des lignées de cellules souches pluripotentes induites, afin de mieux comprendre l'évolution du cerveau humain. De plus, ils prévoient d'utiliser cette plateforme pour étudier les différences de régulation génétique entre les espèces de primates, qui sous-tendent les différences de maturation neuronale et peuvent potentiellement influencer l'organisation cérébrale chez l'homme.

« Nos connaissances sur l'évolution du cerveau sont limitées, notamment en ce qui concerne les différences de développement cellulaire entre les espèces », explique Marchetto. « Nous sommes enthousiasmés par les formidables perspectives que ces travaux ouvrent aux neurosciences et à l'évolution du cerveau. »

Les autres chercheurs ayant participé à l'étude étaient Krishna Vadodaria, Sara B. Linker, Inigo Narvaiza, Renata Santos, Ahmet M. Denli, Ana PD Mendes, Ruth Oefner, Jonathan Cook, Lauren McHenry, Jaeson M Grasmick, Kelly Heard, Callie Fredlender, Lynne Randolph-Moore, Rijul Kshirsagar, Rea Xenitopoulos, Grace Chou et Nasun Hah de l' Institut Salk pour les études biologiques; Branka Hrvoj-Mihic, Katerina Semendeferi et Alysson R. Muotri du Université de Californie à San Diego; Bilal E. Kerman de à Université Medipol d'Istanbul; Diana X. Yu du Université de l'Utah; et Krishnan Padmanabhan du Université de Rochester.

Les travaux et les chercheurs impliqués ont été soutenus par des subventions des National Institutes of Health, du Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, du California Institute for Regenerative Medicine et de la Brain and Behavior Research Foundation (anciennement la National Alliance for Research on Schizophrenia and Depression).

DOI: 10.7554 / eLife.37527