D’une cellule unique à des milliards de neurones : comment le cerveau s’oriente-t-il pendant sa croissance ? Les cellules cérébrales ne se fient pas seulement à la chimie, mais suivent un « arbre généalogique » biologique.
Où sont-ils ? Qui dois-je devenir ? Le développement entier du cerveau pourrait se baser sur ces questions simples, mais uniquement du point de vue biologique. C’est ce que propose une étude publiée dans Neuron, qui s’emploie à répondre à un dilemme impossible : selon quelles règles le cerveau s’organise à partir d’une seule cellule, jusqu’aux 170 milliards de cellules d’un cerveau humain adulte ? D’après l’analyse, le critère pourrait être étonnamment… facile, et pas si éloigné de ce que les générations de notre espèce suivent lorsqu’elles choisissent leur lieu de vie.
La chimie ne suffit pas
La recherche a été conduite par un groupe de scientifiques du Cold Spring Harbor Laboratory de New York, en collaboration avec l’Université de Harvard et l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zürich). Pour exposer le problème de départ, Stan Kerstjen, neurobiologiste computationnel et premier auteur de l’étude, déclare : « Les seules choses que voit une cellule ne sont qu’elle-même et ses voisines. Mais son destin dépend de l’endroit où elle se situe : une cellule mal placée devient quelque chose de mal placé, et le cerveau ne se développe pas correctement. »
Les modèles traditionnels suggèrent que les cellules cérébrales échangent des informations sur leur rôle et leur position grâce à des signaux chimiques. L’idée tient encore, mais ne fonctionne pas aussi bien lorsqu’on parle de milliards de cellules : dans un contexte où chaque signal doit atteindre précisément un point donné, et uniquement ce point, un signal chimique peut voyager et se disperser avant d’atteindre sa cible. Alors comment les cellules cérébrales s’organisent-elles durant le développement ? Comment comprennent-elles le rôle qu’elles doivent assumer et l’emplacement où elles doivent se placer ?
Comme mon père, et mon grand-père avant lui
Selon le nouveau modèle proposé, les cellules héritent de ces instructions de leurs progéniteurs. Les auteurs écrivent : « Contrairement à une armée, qui dispose d’une chaîne de commandement explicite et d’un général à sa tête, le développement du cerveau ne possède pas de « général ». Dans les premières phases du développement, les cellules forment une unité étroitement couplée par des signaux locaux. Peu à peu, à mesure que le tissu grandit et que les cellules s’éloignent hors de portée, ces unités locales se subdivisent en sous-unités qui héritent des états de leurs progénitrices ».
Selon les chercheurs signataires, le principe n’est pas si différent de ce qui guide les mouvements humains de génération en génération. Les cellules qui descendent du même progéniteur ont tendance à rester proches, tout comme les êtres humains issus des mêmes progéniteurs finissent par partager des territoires et se répartir dans des structures où la communication interne est facilitée.
Les scientifiques ont testé la validité de ce modèle d’abord sur le plan théorique, puis sur des groupes de souris et sur des poissons zèbres, un organisme modèle en biologie, avec des cerveaux en développement, et ont confirmé que l’hypothèse « tient » même lorsqu’elle s’applique à des cerveaux de tailles et de niveaux de complexité différents.
Les signaux chimiques prévus par les modèles antérieurs fonctionneraient donc en combinaison avec ces informations de position et de rôle transmises par les cellules progénitrices. Selon les auteurs, ce même schéma pourrait s’appliquer à d’autres tissus et formations en développement, comme les tumeurs ; il pourrait éclairer les intelligences artificielles qui simulent le fonctionnement du cerveau humain ; et il pourrait être utilisé pour mieux comprendre l’évolution du cerveau et de l’intelligence humaine.
