Le cerveau, résultat de la fusion de deux organes?

Le cerveau était à l’origine composé de deux organes distincts, qui ont évolué de manière indépendante sur des centaines de millions d'années, pensent des neuroscientifiques de l’Université Stanford, aux États-Unis.

Pour la première fois, nous avons montré que l'avant du cerveau provient d'une cellule totalement différente de celle de l'arrière du cerveau, explique dans un communiqué Kyle Loh, l’un des auteurs principaux des travaux publiés dans la revue Nature Neuroscience (nouvelle fenêtre) (en anglais).

Pour le neuroscientifique Martin Parent, du centre de recherche CERVO de l’Université Laval, ces travaux fort intéressants montrent à quel point on ne connaît pas encore le cerveau aujourd’hui.

La machine cérébrale

Le modèle accepté depuis l’apparition de la médecine moderne veut que toutes les parties du cerveau des mammifères partagent une origine commune.

Le concept qu'on avait avant, c'est que tout le cerveau avait pour origine un seul type de cellules, qui évoluaient par la suite en fonction de certains facteurs de croissance qui sont présents dans le cerveau, explique le chercheur québécois, qui n’a pas participé aux travaux.

Or, une analyse approfondie des premiers stades du développement du cerveau de la souris a permis aux chercheurs américains d’isoler deux types de cellules distincts. Dès le deuxième jour embryonnaire, ces cellules sont déjà prédéterminées vers une lignée spécifique, note Martin Parent.

Ces types de cellules ne participent pas au développement des mêmes régions cérébrales. Comme ces deux populations cellulaires ne se chevauchent jamais, les chercheurs émettent l’hypothèse que le cerveau serait issu de la fusion évolutive de deux organes.

Le cerveau adulte se divise en trois zones bien définies : le cerveau antérieur, le cerveau moyen et le cerveau postérieur.

Les deux premières régions (antérieure et moyenne) gèrent la pensée de niveau supérieur : le langage, la conscience et le raisonnement abstrait.

De son côté, le cerveau postérieur (qui correspond au tronc cérébral) contrôle les fonctions automatiques qui régulent, par exemple, les battements cardiaques et la respiration. Il contrôle aussi les muscles du visage, de la langue et de la gorge, lesquels influent sur la parole et la déglutition.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont établi qu’un des deux types de cellules (associé au gène Otx2) peuple le cerveau antérieur et le cerveau moyen, tandis que l’autre (associé au gène Gbx2) peuple le cerveau postérieur.

Selon les chercheurs, cette découverte montrerait que le cerveau humain moderne est composé de deux systèmes nerveux anciens qui se sont ingénieusement assemblés au cours de l’évolution pour créer les trois régions actuelles de l’organe (antérieure, moyenne et postérieure).

L’idée reste encore à prouver. Ces travaux permettent de poser une hypothèse sur l’évolution du cerveau en regardant comment un embryon se développe, ce qui est intéressant d'un point de vue évolutif, mais d’autres travaux plus approfondis devront être réalisés pour le confirmer, remarque Martin Parent.

Un mystère de la médecine résolu?

L’existence d’un type de cellules associé au cerveau postérieur permet, selon les auteurs, d’expliquer pourquoi la recherche médicale a peiné, pendant des décennies, à cultiver en laboratoire certaines cellules liées au système moteur et au tronc cérébral.

C’est que, jusqu’à aujourd’hui, les chercheurs tentaient sans succès de produire des neurones du cerveau postérieur en incitant des cellules des régions antérieure et moyenne à devenir des cellules de la région postérieure.

Mais, à la suite de leur découverte, les chercheurs ont réussi, pour la première fois en laboratoire, à guider des cellules souches pluripotentes humaines (un type de cellule capable de générer n'importe quelle cellule du corps) pour qu'elles deviennent des motoneurones fonctionnels du cerveau postérieur.

Notre découverte signifie que nous pouvons désormais faire pousser des neurones de l'arrière du cerveau […] dans une boîte de Petri et étudier leurs fonctions.

Cette percée pourrait ainsi faire progresser la recherche sur la sclérose latérale amyotrophique ainsi que sur l'amyotrophie spinale. Dans ces deux maladies, des neurones du cerveau postérieur cessent progressivement de fonctionner, si bien que l’organe a de plus en plus de difficulté à transmettre les commandes aux muscles, qui deviennent faibles et atrophiés, ce qui finit par empêcher les personnes atteintes d’avaler et de respirer.

Les neurones cultivés en laboratoire dans l’étude présentaient toutes les caractéristiques des véritables cellules du cerveau postérieur : ils présentaient de l'activité électrique et produisaient des protéines permettant d'identifier les segments du cerveau postérieur qui contrôlent les muscles faciaux et ceux de la déglutition.

Grâce à ces travaux, on pourrait éventuellement développer un outil intéressant pour la recherche concernant ces différentes maladies neurodégénératives. C’est très intéressant pour l’étude du cerveau, pense Martin Parent.

Repères

• L'AS (amyotrophie spinale) est l'une des principales causes génétiques de mortalité chez les enfants de moins d'un an. Au Canada, environ 1 bébé sur 10 000 est frappé par l’AS.
• La SLA (sclérose latérale amyotrophique), souvent diagnostiquée entre 40 et 70 ans, touche à la fois le cerveau antérieur et le cerveau postérieur. On estime qu’environ 4000 Canadiens vivent actuellement avec cette maladie.

Encore du travail

Les chercheurs souhaitent maintenant poursuivre leurs travaux pour déterminer comment l'AS et la SLA altèrent le fonctionnement des neurones du cerveau postérieur.

Pour Martin Parent, les chercheurs doivent maintenant confirmer la prédétermination des deux types de cellules.

Il faudrait réaliser des greffes de ces cellules dans une autre région de l'embryon pour observer si elles conservent leur identité malgré l'environnement. Cela serait une démonstration convaincante.

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Une origine très ancienne

Cette architecture cérébrale composée de deux organes ne serait d'ailleurs pas propre aux humains. Les chercheurs ont remonté l’évolution du cerveau sur 550 millions d'années pour trouver des traces similaires chez le poulet, le poisson-zèbre, ainsi que chez un ver marin qui partage un lointain ancêtre commun avec l'humain.

Par comparaison, les méduses, dont la lignée a divergé de celle des humains il y a environ 600 à 700 millions d'années, possèdent deux systèmes nerveux situés aux extrémités opposées de leur corps.