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 nouvelle manière

LA JOLLA—Qu'est-ce qui nous rend humains, et d'où vient cette mystérieuse propriété de « l'humanité » ? Les humains sont génétiquement similaires aux chimpanzés et aux bonobos, mais il existe des différences comportementales et cognitives évidentes. Maintenant, 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 par rapport aux neurones 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 donne un aperçu de l'organisation du développement du cerveau et jette les bases d'analyses comparatives plus poussées entre les humains et les primates non humains", déclare l'un des principaux auteurs de l'étude, le président et professeur Salk. Jauge rouillée, titulaire de la chaire Vi et John Adler de recherche sur les maladies neurodégénératives liées à l'âge.

Deux processus importants dans le développement du cerveau comprennent la maturation et la migration des neurones. La maturation implique la croissance des neurones à mesure que les neurones augmentent leurs connexions entre eux pour une meilleure communication. La migration est le mouvement physique des neurones dans différentes parties du cerveau en développement. Les auteurs ont cherché à comparer la maturation et la migration des neurones entre les humains et les 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 amener, via un virus et des cocktails chimiques, à se développer en cellules progénitrices neurales, un type de cellule qui a la capacité de devenir multiple. types de cellules dans le cerveau, y compris les neurones. Ces nouvelles lignées cellulaires de primates peuvent ensuite être perpétuellement propagées, offrant aux chercheurs de nouvelles voies pour étudier les aspects du développement neuronal des neurones vivants sans échantillons de tissus de primates en voie de disparition tels que les chimpanzés et les bonobos.

"Il s'agit d'une nouvelle stratégie pour étudier l'évolution humaine", déclare Carol Marchetto, scientifique senior de Salk au Laboratoire de génétique, co-premier auteur et l'un des auteurs principaux 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 examiner le développement du cerveau des primates sans utiliser d'échantillons de tissus. Nous prévoyons que cela conduira à de nombreuses nouvelles découvertes au cours des prochaines années sur l'évolution du cerveau.

Les chercheurs ont d'abord exploré les différences d'expression génique liées au mouvement neuronal, en comparant des cellules humaines, de chimpanzé et de bonobo. Ils ont également étudié les propriétés de migration des neurones inhérentes à chaque espèce. Ils ont trouvé 52 gènes liés à la migration et, fait intéressant, les neurones des chimpanzés et des bonobos avaient 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 à l'extérieur d'un plat, les scientifiques ont transplanté les cellules progénitrices neurales des humains et des chimpanzés dans le cerveau des 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 d'extensions des neurones appelés dendrites, ainsi que la taille des corps cellulaires, qui abritent le noyau et l'ADN.

Les neurones de chimpanzés ont migré sur une plus grande distance et ont couvert une zone 76% plus grande que les neurones humains après deux semaines. Les neurones humains ont été plus lents à se développer mais ont atteint des longueurs plus longues que les neurones des chimpanzés. Ce schéma de croissance plus lent peut permettre aux humains d'atteindre plus d'étapes de développement 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, pour mieux comprendre l'évolution du cerveau humain. De plus, les auteurs prévoient d'utiliser cette plate-forme pour étudier les différences de régulation des gènes entre les espèces de primates qui sous-tendent les différences de maturation neuronale et peuvent potentiellement avoir un impact sur l'organisation cérébrale chez l'homme.

"Nous avons des connaissances limitées sur l'évolution du cerveau, en particulier en ce qui concerne les différences de développement cellulaire entre les espèces", explique Marchetto. « Nous sommes enthousiasmés par les formidables possibilités que ce travail ouvre pour le domaine des neurosciences et de l'évolution du cerveau.

Les autres chercheurs de 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 du 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 de la 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 Schizophrénie et dépression).

DOI: 10.7554 / eLife.37527