Le premier atlas du développement cérébral, cellule par cellule

Une carte approfondie du développement du cerveau, étape par étape, durant la phase embryonnaire et les premières semaines de vie. Un guide pour comprendre quelles cellules mûrissent à quel moment, et à partir de quelles cellules progénitrices: les chercheurs en neurosciences et les généticiens qui étudient l’origine de certaines pathologies du neurodéveloppement disposeront, à partir de maintenant, d’un instrument précieux grâce au travail d’un consortium américain de groupes de recherche appelé Brain Initiative Cell Atlas Network (BICAN).

Cinque articoli scientifici recentemente publiés dans Nature décrivent le développement et la différenciation de centaines de milliers de cellules de la cortex cérébrale chez l’homme et chez la souris, et analysent les événements moléculaires qui donnent naissance aux neurones et aux cellules de soutien, comme les astrocytes. Dans l’ensemble, ces travaux constituent l’atlas le plus complet jamais réalisé sur l’origine des cellules cérébrales, un outil précieux pour les recherches sur l’origine de troubles susceptibles de remonter à cette phase de transformation, tels que l’autisme ou la schizophrénie.

Le projet a été lancé en 2022 par l’initiative BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies), coordonnée par les National Institutes of Health (NIH) américains et financée par des fonds fédéraux et privés, qui vise à « révolutionner notre connaissance du cerveau humain ». L’idée de base est de comprendre comment, à partir de cellules souches, émergent les cellules extrêmement différenciées et spécialisées qui forment le cerveau (humain et d’autres mammifères).

« L’objectif de ces recherches est de comprendre, pour chaque cellule, où elle se forme, comment elle mûrit, où elle se situe et avec quelles autres cellules elle se connecte. Des techniques révolutionnaires ont été utilisées comme la transcriptomique spatiale, qui permet d’identifier quels gènes sont actifs à un moment donné dans chaque cellule, tout en conservant l’information sur la position de la cellule au sein du tissu. En d’autres termes, non seulement quels gènes sont actifs, mais aussi où, dans le tissu, leur activation se produit », explique Marco Onorati, neurobiologiste, professeur associé de Biologie Cellulaire et du Développement et responsable du Neural Stem Cell Lab de l’Université de Pise.

Dans l’une des cinq études publiées dans Nature, un groupe de neuroscientifiques de l’Université de Californie à San Francisco a reconstitué un « arbre généalogique » du développement des cellules de la cortique du cerveau humain à partir de tissus cérébraux de fœtus à divers stades de développement.

Les chercheurs ont identifié dans les échantillons plus de 6 400 cellules progénitrices et ont reconstitué lesquelles d’entre elles avaient donné naissance aux différents types de cellules cérébrales. Jusqu’à 20 semaines de développement fœtal, les cellules progénitrices ont favorisé la genèse de neurones excitateurs, qui, par leurs signaux, stimulent d’autres neurones; par la suite, c’est la génération de neurones inhibiteurs qui a prévalu, bloquant la transmission neuronale.

De l’étude ressort également que la production de cellules de soutien du cerveau comme les astrocytes, ou de cellules qui favorisent la transmission du signal nerveux comme les oligodendrocytes, est plus continue et prolongée chez l’homme que chez les souris.

Un groupe de scientifiques de l’Allen Institute for Brain Science à Seattle, dans l’État de Washington, a quant à lui étudié le développement des cellules de la cortique visuelle dans le cerveau de souris, depuis le stade embryonnaire de 11,5 jours jusqu’au 56e jour de vie. Il a été découvert que certains types de neurones continuent de se spécialiser bien après la naissance, lorsque les souris ont ouvert pour la première fois les yeux et activé le système visuel, entre le onzième et le vingt et unième jour de vie.

Une autre étude a révélé qu’un sous-ensemble de cellules d’un type de tumeur cérébrale maligne humaine (le glioblastome) est similaire à des cellules progénitrices embrionnaires, ouvrant la possibilité que ce cancer exploite, d’une certaine façon, les processus de développement cellulaire à son profit.

Dans l’ensemble, ce type d’études offrira une boussole aux chercheurs explorant les bases neurobiologiques de certaines maladies du neurodéveloppement, comme l’autisme et la schizophrénie. Il sera désormais possible, comme l’écrivent les auteurs de l’une des études, « d’épurer les données, d’identifier les gènes qui pourraient être critiques pour un événement particulier dans un type cellulaire donné et à un moment précis », de distinguer entre les facteurs génétiques qui rendent vulnérables aux pathologies cérébrales et les facteurs environnementaux qui les rendent apparentes.

« Cette immense collecte de données du consortium BICAN transforme le portrait statique des neurones en une histoire dynamique du développement du cerveau, potentiellement capable d’aider à comprendre les causes moléculaires des pathologies du neurodéveloppement. Pour beaucoup de maladies de ce type, aujourd’hui, le diagnostic intervient lorsque les processus qui en ont été la cause se sont déjà déroulés », commente Antonio Uccelli, neurologue, professeur ordinaire de Neurologie à l’Université de Gênes, directeur scientifique de l’IRCCS Hôpital Policlinique San Martino de Gênes et coordinateur scientifique du Projet Mnesys.

Cette étude permettra aussi de mettre en regard certains aspects de l’évolution du cerveau humain avec ceux d’autres mammifères, et de comprendre si certains traits que nous considérons comme « uniques » le sont réellement, ou s’ils ont plutôt été conservés au cours de l’évolution dans d’autres espèces du même groupe auquel appartient l’homme.