Ces petits « cerveaux » pourraient aider à démystifier l’esprit humain

Cette histoire a été initialement publiée dans notre numéro de mai/juin 2022 sous le titre « Tracing Back Brains ». Cliquez ici pour vous abonner à lire plus d’histoires comme celle-ci.

Les secrets de l’évolution de l’esprit humain pourraient résider dans les milliers de minuscules « cerveaux » appelés organoïdes que le neuroscientifique Alysson Muotri a cultivés dans son laboratoire de l’Université de Californie à San Diego depuis 2011.

Son équipe a placé un gène néandertalien dans chaque organoïde pour savoir comment il affecte la croissance du cerveau. L’expérience marque le début d’un effort pour comprendre comment les mutations génétiques distinguent nos esprits de ceux des premiers hominidés et de nos cousins ​​évolutifs les plus proches, les grands singes. Dans cette quête intellectuelle, Muotri et d’autres scientifiques du monde entier ont mis au point des techniques pour développer des cultures de cellules cérébrales en trois dimensions, une nouvelle façon de revivre le passé.

Le mystère a surgi il y a environ 7 millions d’années, lorsque nos parents primates ont divergé des ancêtres des chimpanzés. Après cette séparation quelque chose il a permis à la lignée humaine de développer des cerveaux plus gros. Finalement, les cerveaux humains ont gonflé en moyenne trois fois la taille des cerveaux de chimpanzés. Cela devait être le résultat de mutations génétiques, et les organoïdes cérébraux aident les scientifiques à révéler exactement quels gènes étaient impliqués.

déterminer comment la variante néandertalienne d’un gène appelé NOVA1, qui est impliqué dans la croissance du cerveau, peut avoir fonctionné différemment de la version humaine moderne. Ils ont d’abord comparé les génomes de Néandertal publiés précédemment avec ceux de l’homme actuel et ont identifié 61 gènes qui diffèrent entre les deux. Ils se sont ensuite concentrés sur la culture d’organoïdes avec les deux variantes différentes de NOVA1, qui est associée au développement précoce des neurones et des synapses. Les neurones dirigent la plupart des activités cérébrales en communiquant des signaux électriques entre eux à travers des espaces appelés synapses ; cela forme la base biologique de la pensée. En fin de compte, des gènes comme NOVA1 rendent l’esprit humain possible. Compte tenu de l’influence du gène sur le cerveau, Muotri a prédit des différences significatives entre les organoïdes « néandertalisés » et les humains modernes.

Parce que le code génétique de Néandertal NOVA1 diffère de l’homme moderne par une seule lettre, il est assez simple de modifier le gène à l’intérieur des cellules souches avant qu’elles ne se développent en neurones et en organoïdes. « Nous recherchions le fruit mûr », explique Muotri, « et NOVA1 a passé en revue toutes les marques. »

L’équipe de Muotri a cultivé entre 3 000 et 5 000 organoïdes néandertalisés et les a comparés à un nombre similaire de versions humaines modernes. Les organoïdes néandertalisés étaient relativement plus petits et plus agglomérés. Comme rapporté dans un La science étude de février 2021, les chercheurs ont également détecté des différences dans les interactions neuronales et des changements dans les protéines impliquées dans l’activation des synapses. Cela peut indiquer que les humains disparus, y compris les Néandertaliens, pensaient différemment des gens modernes.

Mais Muotri prévient qu’une seule mutation peut révéler tant de choses sur le cerveau de Néandertal. Néandertal NOVA1 peut avoir fonctionné différemment au sein d’un génome complet, ajoute-t-il. Les gènes ou morceaux d’ADN « régulateurs » pourraient changer lorsque NOVA1 est éteint et allumé, influençant la croissance des neurones de Néandertal. Les travaux futurs dans le laboratoire de Muotri tenteront de discerner comment d’autres gènes néandertaliens affectent la croissance des cellules cérébrales, ainsi que les différences plus larges entre les cerveaux humains et néandertaliens.

Nous pouvons également en apprendre davantage sur l’évolution du cerveau humain auprès de nos parents les plus éloignés (et les plus poilus). Jusqu’à il y a 2 millions d’années, les cerveaux des hominidés n’étaient pas très différents des cerveaux des chimpanzés en taille ou en forme. Mais les cerveaux des Néandertaliens et des humains modernes sont plus grands que ceux des singes, et on ne sait pas pourquoi. Le laboratoire de Madeline Lancaster au Medical Research Council Molecular Biology Laboratory en Angleterre a trouvé une explication possible. En utilisant des cellules de chimpanzés et de gorilles, obtenues par des procédures vétérinaires, Lancaster a créé des cultures de cellules souches pour développer des organoïdes cérébraux. Il les a comparés à des organoïdes fabriqués à partir de cellules humaines, quelque peu similaires au travail de Muotri sur les gènes de Néandertal, et les a observés pendant leur expansion.

Le résultat : Le cerveau humain s’est développé plus lentement, dit Lancaster, comme le rapporte un article publié dans Cellule avril dernier. Les organoïdes de chimpanzé ont mûri rapidement pendant environ cinq jours, au cours desquels les cellules souches se sont développées en cellules progénitrices neurales avant de mûrir en neurones. Presque tous les neurones du cerveau, quelle que soit l’espèce, sont formés à partir de l’apport de ces cellules progénitrices intermédiaires. Les cerveaux humains passent une journée supplémentaire dans cette étape de transition, permettant aux cellules progénitrices de terminer une division cellulaire supplémentaire. Cette étape supplémentaire permet au cerveau humain de contenir environ deux fois plus de neurones que le cerveau des chimpanzés ou des gorilles. Cette propriété provient probablement d’une protéine appelée ZEB2, qui dit au cerveau d’arrêter de fabriquer des cellules progénitrices neurales et de commencer à les transformer en neurones. Les humains commencent à produire ZEB2 plus tard que les singes, ce qui donne plus de temps pour produire les cellules qui forment finalement les neurones.

Déterminer quand les mutations cruciales du gène NOVA1 se sont produites, ainsi que le moment du gène derrière la protéine ZEB2, reste insaisissable. Mais les archives fossiles fournissent des preuves directes du moment où le cerveau des ancêtres humains a commencé à se développer. Les paléoanthropologues Christoph Zollikofer et Marcia Ponce de León de l’Université de Zurich en Suisse ont mené une étude approfondie, publiée dans La science en avril 2021, depuis l’intérieur de crânes d’homininés fossiles. Ils ont utilisé des scans informatiques pour examiner les empreintes cérébrales et ont montré que les hominidés âgés de plus de 1,7 million d’années conservaient une structure cérébrale semblable à celle d’un singe. Après environ 1,5 million d’années, lorsque l’espèce l’homo erectus évolué, les caractéristiques qui caractérisent la structure du cerveau humain moderne (lobes frontaux et pariétaux élargis) ont commencé à émerger. « Les 5 premiers millions d’années de l’évolution humaine concernaient essentiellement la locomotion et probablement l’alimentation, pas le cerveau », explique Zollikofer.

Même avec leur cerveau de singe, les premiers ancêtres humains ont accompli beaucoup de choses. Il y a environ 2 millions d’années, les hominidés ont quitté l’Afrique pour la première fois et ont inventé des outils en pierre. « Nous pensons que le changement de comportement, le changement culturel, vient en premier et permet au cerveau d’évoluer dans une nouvelle direction », explique Zollikofer. Il décrit une boucle de rétroaction où des comportements de plus en plus complexes créent une pression évolutive pour développer des cerveaux plus gros capables de gérer des tâches de plus en plus difficiles, telles que parler des langues complexes et suivre des réseaux sociaux plus larges.

À l’avenir, les organoïdes cérébraux joueront un rôle crucial dans l’étude des modifications du génome humain qui ont permis à nos ancêtres de développer l’esprit d’aujourd’hui. Les travaux futurs de Lancaster se concentreront sur les aspects du calendrier de développement chez l’homme, tels que la détermination du gène qui active la protéine ZEB2 pour développer les neurones.

Quant au laboratoire de Muotri, ils prévoient de créer des organoïdes pour explorer les 60 autres mutations génétiques qui distinguent les Néandertaliens des humains modernes. Au moins quatre de ces mutations affectent le cerveau d’une manière ou d’une autre, dit Muotri. Il espère que leur étude révélera ce qu’il fait Homo sapiensesprits uniques. « Il y a maintenant une tendance à croire que les Néandertaliens nous ressemblaient tellement, que vous pouviez les voir dans le métro et qu’ils ne seraient pas reconnus, mais je pense que nos recherches indiquent qu’ils sont assez différents », explique Muotri.