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Assemblage de réseaux par la division cellulaire
Le cerveau humain est de loin l'organe le plus complexe que la nature ait jamais produit: 100 milliards de cellules nerveuses, chacune connectée à d'autres cellules par plusieurs points de contact, garantissent que notre ensemble de compétences inclut la capacité d'une puissance cérébrale remarquable. Mais la manière dont cet organe exceptionnel parvient à se former à partir d'un amas déstructuré de cellules embryonnaires reste obscure.
Aucun plan précis
Au cours des dernières années, des sommes considérables ont été consacrées à l'étude précise de la structure d'un cerveau entièrement formé. La communauté scientifique espère que la cartographie complète des neurones et de leurs connexions - connue collectivement sous le nom de connectome - permettra de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau.
Cependant, la question fondamentale complémentaire de savoir comment le cerveau se forme à partir d'une information génétique limitée reste sans réponse. Pour décrire le connectome, il faudrait que les gènes contiennent un milliard de fois plus d'informations qu'ils n'en contiennent réellement. Comment se fait-il donc que les êtres humains et les animaux naissent avec un cerveau complexe, largement pré-structuré, qui leur permet de faire des progrès rapides en matière d'apprentissage presque dès leur naissance?
Des instructions pour le raccordement
La réponse à cette énigme est étonnamment simple, selon Stan Kerstjens, doctorant à l'Institut de neuro-informatique de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich, et ses deux conseillers Richard Hahnloser, professeur de neurosciences des systèmes, et Rodney Douglas, professeur émérite de neuro-informatique.
«Il est clair que les instructions pour câbler le cerveau doivent être codées génétiquement - sinon, les cerveaux des gens ne développeraient pas tous une structure similaire», souligne Stan Kerstjens. «Toutefois, ce n'est pas le connectome détaillé qui est encodé, mais plutôt une seule méthode de recherche compacte. Cette méthode peut ensuite être utilisée par les axones, les longues fibres qui établissent le contact avec d'autres cellules. Le réseau est alors construit par les axones qui recherchent des cellules qui sont des parents génétiques de leur propre neurone».
Structure spatiale et génétique
Ce nouveau mécanisme est décrit dans un article publié récemment dans la revue PLOS Computational Biology. L'équipe de recherche a mis au point un modèle qui permet de simuler le développement du cerveau d'une souris aux stades embryonnaire et adulte. En termes humains, cela correspond au stade de maturité d'un enfant de six ans.
«Il s'agit essentiellement d'un modèle de croissance pour les tissus», explique Stan Kerstjens. Le modèle part d'une seule cellule. À mesure que de nouveaux neurones apparaissent, chaque division cellulaire entraîne des changements structurés dans l'expression des gènes. Ce mécanisme garantit que chaque cellule fille a une expression génétique similaire, mais pas identique, à celle de son parent, et que les cellules ayant une expression génétique similaire sont regroupées les unes près des autres. L'organisation des cellules imposée par le développement fait qu'elles sont marquées comme des points sur une carte, que la biologie du cerveau peut utiliser pour la navigation des axones.
Séquence systématique des cellules
Au cours du développement embryonnaire, ce processus établit une hiérarchie de marqueurs génétiques dans différentes régions du cerveau, dont chacune est caractérisée par le schéma génétique de ses ancêtres communs. La navigation dans l'espace décrit par cette hiérarchie cartographique implique de suivre une séquence systématique de profils génétiques qui se sont développés avec chaque nouvelle génération de cellules.
Dans ce cas, l'équipe de recherche a analysé les données relatives à l'expression des gènes dans le cerveau des souris, publiées par l'Allen Institute for Brain Science de Seattle. «Nous avons comparé les données du laboratoire avec nos simulations et nous avons constaté qu'elles correspondaient en grande partie. Nous constatons donc que l'expression des gènes divise effectivement le cerveau en régions distinctes mais apparentées», explique Stan Kerstjens.
Recherche de cellules apparentées
Dans la deuxième étape du modèle, les cellules se connectent à d'autres cellules. «Ici, nous ne leur donnons que des instructions de base quant aux signaux moléculaires que les axones doivent utiliser pour les guider sur leur chemin», poursuit Stan Kerstjens. «En fait, nous avons demandé à chacune d'entre elles de suivre les modèles génétiques qui déterminent son développement individuel. C'était ensuite aux axones eux-mêmes de suivre les directions moléculaires jusqu'à l'adresse de leurs parents.»
L'équipe de recherche a pu montrer que ce mécanisme relativement simple peut conduire les axones vers certaines cellules sur de grandes distances, produisant un connectome très similaire à celui d'un véritable cerveau de souris. «La plupart des cellules se connectent à d'autres situées à proximité, tandis que quelques-unes parviennent jusqu'à des régions très éloignées. Cela donne lieu à des zones distinctes du cerveau, chacune contenant des réseaux étroitement liés tout en étant également connectée à d'autres zones.
Comprendre le principe
Ce modèle simple n'explique pas entièrement la cartographie d'un véritable cerveau humain. «Mais ce n'était pas l'objectif de notre travail», explique Stan Kerstjens. «Nous voulons comprendre le principe de la création d'un organe capable d'apprendre. Et le travail que nous avons effectué jusqu'à présent nous montre la direction que peuvent prendre les recherches futures.»