De minuscules gouttes de cellules cérébrales pourraient révéler en quoi votre esprit diffère de celui d’un néandertalien

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Ces dernières années, les scientifiques ont découvert comment faire pousser des gouttes de centaines de milliers de neurones humains vivants qui ressemblent – et agissent – à quelque chose comme un cerveau.

Ces soi-disant organoïdes cérébraux ont été utilisés pour étudier comment les cerveaux se développent en couches, comment ils commencent à produire spontanément des ondes électriques et même comment ce développement pourrait changement en apesanteur. Les chercheurs utilisent maintenant ces grappes de la taille d’un pois pour explorer notre passé évolutif.

Dans un étude publié jeudi, une équipe de scientifiques décrit comment un gène probablement porté par les Néandertaliens et nos autres anciens cousins ​​a déclenché des changements frappants dans l’anatomie et la fonction des organoïdes cérébraux.

Aussi dramatiques que soient les changements, les scientifiques disent qu’il est trop tôt pour savoir ce que ces changements signifient pour l’évolution du cerveau humain moderne. «C’est plus une preuve de concept», a déclaré Katerina Semendeferi, co-auteur de la nouvelle étude et anthropologue évolutionniste à l’Université de Californie à San Diego.

Pour s’appuyer sur les résultats, elle et son co-auteur, Alysson Muotri, ont établi le Centre d’archéalisation UC San Diego, un groupe de chercheurs s’est concentré sur l’étude des organoïdes et sur la création de nouveaux avec d’autres gènes anciens. «Nous avons maintenant un début et nous pouvons commencer à explorer», a déclaré le Dr Semendeferi.

Le Dr Muotri a commencé à travailler avec les organoïdes cérébraux il y a plus de dix ans. Pour comprendre comment Zika produit des malformations congénitales, par exemple, lui et ses collègues ont infecté des organoïdes cérébraux avec le virus, ce qui a empêché les organoïdes de développer leurs couches corticales.

Dans d’autres études, les chercheurs ont étudié comment les mutations génétiques contribuent à provoquer des troubles comme l’autisme. Ils ont transformé des échantillons de peau de volontaires souffrant de troubles du développement et transformé le tissu en cellules souches. Ils ont ensuite transformé ces cellules souches en organoïdes cérébraux. Organoïdes de personnes atteintes Syndrome droit, une maladie génétique qui entraîne une déficience intellectuelle et des mouvements répétitifs de la main, a développé peu de connexions entre les neurones.

Le Dr Semendeferi utilise des organoïdes pour mieux comprendre l’évolution du cerveau humain. Dans des travaux antérieurs, elle et ses collègues ont découvert que chez les singes, les neurones se développant dans le cortex cérébral restent proches les uns des autres, tandis que chez les humains, les cellules peuvent ramper sur de longues distances. «C’est une organisation complètement différente», dit-elle.

Mais ces comparaisons s’étendent sur un vaste fossé dans le temps de l’évolution. Nos ancêtres se sont séparés des chimpanzés il y a environ sept millions d’années. Pendant des millions d’années après cela, nos ancêtres étaient des singes bipèdes, atteignant progressivement des hauteurs et des cerveaux plus grands, et évoluant en Néandertaliens, Denisoviens et autres hominins.

Il a été difficile de suivre les changements évolutifs du cerveau en cours de route. Notre propre lignée s’est séparée de celle des Néandertaliens et des Denisoviens il y a environ 600 000 ans. Après cette scission, montrent les fossiles, nos cerveaux ont fini par devenir plus arrondis. Mais ce que cela signifie pour les 80 milliards de neurones à l’intérieur est difficile à savoir.

Le Dr Muotri et le Dr Semendeferi ont fait équipe avec des biologistes évolutionnistes qui étudient l’ADN fossilisé. Ces chercheurs ont pu reconstruire l’ensemble du génome des Néandertaliens en rassemblant des fragments génétiques à partir de leurs os. D’autres fossiles ont donné les génomes des Denisoviens, qui se sont séparés des Néandertaliens il y a 400 000 ans et ont vécu pendant des milliers de générations en Asie.

Les biologistes évolutionnistes ont identifié 61 gènes qui pourraient avoir joué un rôle crucial dans l’évolution des humains modernes. Chacun de ces gènes possède une mutation propre à notre espèce, apparue au cours des 600 000 dernières années, et qui a probablement eu un impact majeur sur les protéines codées par ces gènes.

Le Dr Muotri et ses collègues se demandaient ce qui arriverait à un organoïde cérébral s’ils supprimaient l’une de ces mutations, en changeant un gène pour le retrouver dans les génomes de nos lointains ancêtres. La différence entre un organoïde ancestral et un organoïde ordinaire pourrait offrir des indices sur la façon dont la mutation a influencé notre évolution.

Cependant, il a fallu des années aux scientifiques pour lancer l’expérience. Ils ont eu du mal à trouver un moyen de modifier précisément les gènes des cellules souches avant de les persuader de se transformer en organoïdes.

Une fois qu’ils avaient trouvé une méthode efficace, ils devaient choisir un gène. Les scientifiques craignaient de choisir un gène pour leur première expérience qui ne ferait rien à l’organoïde. Ils ont réfléchi à la façon d’augmenter leurs chances de succès.

«Notre analyse nous a fait dire:« Obtenons un gène qui change beaucoup d’autres gènes », a déclaré le Dr Muotri.

Un gène de la liste semblait particulièrement prometteur à cet égard: NOVA1, qui fabrique une protéine qui guide ensuite la production de protéines à partir d’un certain nombre d’autres gènes. Le fait qu’il ne soit principalement actif que dans le cerveau en développement l’a rendu plus attractif. Et les humains ont une mutation dans NOVA1 qui ne se trouve pas chez d’autres vertébrés, vivants ou éteints.

Le collègue du Dr Muotri, Cleber Trujillo, a cultivé un lot d’organoïdes portant la version ancestrale du gène NOVA1. Après en avoir placé un sous un microscope à côté d’un organoïde cérébral ordinaire, il a invité le Dr Muotri à y jeter un coup d’œil.

L’organoïde ancestral NOVA1 avait une apparence sensiblement différente, avec une texture de pop-corn bosselée au lieu d’une surface sphérique lisse. «À ce moment-là, les choses ont commencé», se souvient le Dr Muotri. «J’ai dit: ‘OK, ça fait quelque chose.’»

La proportion de différents types de cellules cérébrales était également différente dans les organoïdes ancestraux. Et les neurones des organoïdes ancestraux ont commencé à déclencher des pics d’activité électrique quelques semaines plus tôt dans leur développement que les neurones humains modernes. Mais il a également fallu plus de temps aux pointes électriques pour s’organiser en vagues.

D’autres experts ont été surpris qu’une seule mutation génétique puisse avoir des effets aussi évidents sur les organoïdes. Ils s’étaient attendus à des changements subtils qui pourraient être difficiles à observer.

« On dirait que les auteurs ont trouvé une aiguille dans une botte de foin sur la base d’une conception d’étude extrêmement élégante », a déclaré Philipp Gunz, paléoanthropologue à l’Institut Max Planck d’anthropologie évolutive à Leipzig, en Allemagne, qui n’a pas participé à la recherche.

Simon Fisher, directeur de l’Institut Max Planck de psycholinguistique aux Pays-Bas, a déclaré que les résultats devaient provenir d’un mélange de travail acharné et de chance. «Il doit y avoir eu un certain degré de sérendipité», dit-il.

Bien que les chercheurs ne sachent pas ce que les changements dans les organoïdes signifient pour notre histoire évolutive, le Dr Muotri soupçonne qu’il peut y avoir des liens avec le type de pensée rendu possible par différents types de cerveaux. «La vraie réponse est, je ne sais pas», dit-il. «Mais tout ce que nous voyons aux tout premiers stades du développement neurologique pourrait avoir une implication plus tard dans la vie.»

Au nouveau centre de recherche, le Dr Semendeferi prévoit de mener des études anatomiques minutieuses sur les organoïdes cérébraux et de les comparer aux cerveaux foetaux humains. Cette comparaison aidera à donner un sens aux changements observés dans l’organoïde ancestral NOVA1.

Et l’équipe du Dr Muotri travaille sur la liste de 60 autres gènes, pour créer plus d’organoïdes que le Dr Semendeferi pourra examiner. Il est possible que les chercheurs n’aient pas autant de chance qu’ils l’étaient lors de leur premier essai et ne verront pas beaucoup de différence avec certains gènes.

« Mais d’autres pourraient être similaires à NOVA1 et indiquer quelque chose de nouveau – une nouvelle biologie qui nous permet de reconstruire un chemin évolutif qui nous a aidés à devenir qui nous sommes », a déclaré le Dr Muotri.

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