Quand le cerveau grandit-il ? Des recherches montrent que les cerveaux des souris et des primates mûrissent au même rythme

Une étude d'Argonne a révélé que les souris à vie courte et les primates à vie plus longue développent des synapses cérébrales exactement au même moment, remettant en question les hypothèses sur la maladie et le vieillissement. Qu’est-ce que cela signifie pour les humains – et pour la recherche d’hier ?

Les souris vivent généralement deux ans et les singes 25 ans, mais les cerveaux des deux semblent développer leurs synapses en même temps. Cette découverte, résultat d'une étude récente dirigée par le neuroscientifique Bobby Kasthuri du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) et ses collègues de l'Université de Chicago, est un choc pour les neuroscientifiques. L'article est publié dans la revue Communications naturelles.

Jusqu’à présent, on pensait que le développement du cerveau se produisait plus rapidement chez la souris que chez d’autres mammifères vivant plus longtemps, comme les primates et les humains. Ceux qui ont étudié le cerveau d’une souris âgée de 2 mois, par exemple, ont supposé que le cerveau avait déjà fini de se développer car sa durée de vie globale était plus courte. En revanche, le cerveau d’un primate âgé de 2 mois était encore considéré comme subissant des changements de développement. En conséquence, le cerveau d’une souris âgée de deux mois n’a pas été considéré comme un bon modèle de comparaison avec celui d’un primate âgé de deux mois.

Cette hypothèse semble complètement fausse, et les auteurs pensent qu'elle remettra en question de nombreux résultats utilisant des données sur le cerveau de jeunes souris comme base de recherche sur diverses conditions humaines, notamment l'autisme et d'autres troubles du développement neurologique.

« Une question fondamentale en neurosciences, en particulier dans le cerveau des mammifères, est de savoir comment les cerveaux grandissent ? » dit Kasthuri. “Il s'avère que le cerveau des mammifères mûrit au même rythme, à chaque étape absolue. Nous allons devoir repenser le vieillissement et le développement maintenant que nous constatons que c'est la même horloge.”

Gregg Wildenberg est chercheur à l'Université de Chicago et auteur principal de l'étude avec Kasthuri et les étudiants diplômés Hanyu Li, Vandana Sampathkumar et Anastasia Sorokina. Il a observé de près les neurones et les synapses activés dans le cerveau de très jeunes souris. Il s'est émerveillé que le bébé souris ait rampé, mangé et se soit comporté comme on pouvait s'y attendre, même s'il n'avait pratiquement aucune connexion mesurable dans ses circuits cérébraux.

“Je pense avoir trouvé une synapse sur un neurone entier, et c'est choquant”, a déclaré Wildenberg. “Ce bébé animal vivant existait en dehors de l'utérus six jours après sa naissance, se comportant et expérimentant le monde sans qu'aucun neurone de son cerveau ne soit réellement connecté les uns aux autres. Nous devons faire attention à ne pas surinterpréter nos résultats, mais c'est fascinant.”

Les neurones du cerveau sont différents des neurones des cellules de tous les autres organes, car les cellules du cerveau sont post-mitotiques, ce qui signifie qu'elles ne se divisent jamais. Toutes les autres cellules du corps – foie, estomac, cœur, peau, etc. – se divisent, sont remplacées et se détériorent au cours de la vie. Ce processus commence au cours du développement et se termine finalement par le vieillissement. Cependant, le cerveau est le seul organe des mammifères qui possède essentiellement les mêmes cellules le premier et le dernier jour de la vie.

Pour compliquer les choses, les premières cellules embryonnaires de chaque espèce semblent identiques. Si les embryons de poissons, de souris, de primates et d’humains étaient tous réunis dans une boîte de Pétri, il serait pratiquement impossible de déterminer quel embryon se développerait en quelle espèce. À un moment mystérieux, un changement de programmation développementale se produit au sein d’un embryon et une seule espèce spécifique émerge. Les scientifiques aimeraient comprendre le rôle des cellules cérébrales dans le développement cérébral ainsi que dans le développement physique au sein des espèces.

Kasthuri et son équipe ont pu faire progresser leur récente découverte grâce à l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du DOE Office of Science. L'ALCF est capable de traiter d'énormes ensembles de données – « des téraoctets, des téraoctets et encore des téraoctets de données », a déclaré Kasthuri – pour examiner les cellules cérébrales à l'échelle nanométrique. Les chercheurs ont utilisé le superordinateur pour examiner chaque neurone et compter chaque synapse dans plusieurs échantillons de cerveau à plusieurs âges des deux espèces. La collecte et l'analyse de ce niveau de données auraient été impossibles, a déclaré Kasthuri, sans l'ALCF.

Kasthuri sait que de nombreux scientifiques voudront davantage de données pour confirmer les conclusions de la récente étude. Lui-même reconsidère les résultats de recherches passées dans le contexte des nouvelles informations.

“L'une de nos études précédentes comparait le cerveau d'une souris adulte à celui d'un primate adulte. Nous pensions que les primates sont plus intelligents que les souris, donc chaque neurone devrait avoir plus de connexions, être plus flexible, avoir plus de routes, etc”, a-t-il expliqué. “Nous avons constaté que c'est exactement le contraire qui est vrai. Les neurones des primates ont beaucoup moins de connexions que les neurones des souris. Maintenant, avec le recul, nous pensions comparer des espèces similaires, mais ce n'était pas le cas. Nous comparions une souris de 3 mois à une souris de 5 ans. primate de 1 ans.”

Les implications de la recherche pour les humains sont floues. D’une part, sur le plan comportemental, les humains se développent plus lentement que les autres espèces. Par exemple, de nombreux mammifères à quatre pattes peuvent marcher au cours de la première heure de leur vie, alors que les humains mettent souvent plus d'un an avant de faire leurs premiers pas. Les règles et le rythme du développement synaptique sont-ils différents dans le cerveau humain par rapport à celui des autres cerveaux de mammifères ?

“Nous pensons que quelque chose de remarquable, quelque chose de magique, sera révélé lorsque nous serons capables d'observer les tissus humains”, a déclaré Kasthuri, qui soupçonne que les humains pourraient avoir un calendrier complètement différent. “C'est là que l'horloge qui est la même pour toutes ces autres espèces de mammifères peut être brisée.”

Wildenberg espère que les informations recueillies au cours de l’étude mèneront au développement de produits pharmaceutiques ciblant mieux les troubles et maladies neurologiques humains.

“Les modèles de souris pourraient être parfaits pour développer des médicaments cardiovasculaires, car les cœurs, qui sont essentiellement des pompes, fonctionnent de la même manière d'une espèce à l'autre”, a-t-il déclaré. “Cependant, développer des médicaments pour les maladies neurologiques est extrêmement difficile. Il est important de comprendre comment les cerveaux des différentes espèces évoluent afin que les scientifiques puissent adapter leurs approches en fonction des innovations et des adaptations du cerveau.”