Une étude met en lumière l’évolution du repliement cérébral dans le cervelet des mammifères

Les scientifiques ont caractérisé le repliement du cortex cérébelleux à l’aide des données d’un échantillon de 56 espèces de mammifères, leur permettant d’étudier la diversité et l’évolution du repliement cérébelleux et sa relation avec l’anatomie du cerveau.

L’étude de l’Institut Pasteur, publiée aujourd’hui dans eLife, suggère que la taille et le pliage du cervelet sont étroitement liés à la taille et au pliage du cerveau d’une espèce à l’autre, et démontre que les grands cervelets sont disproportionnellement plus pliés que les plus petits. De plus, la taille de chaque pli semble être constante d’une espèce à l’autre, malgré les grandes différences de taille du cerveau.

Les résultats fournissent de nouvelles informations sur la diversité et l’évolution du repliement cérébelleux, les mécanismes sous-jacents au repliement cérébral et son influence potentielle sur l’organisation du cerveau d’une espèce à l’autre.

Le cerveau est la plus grande partie du cerveau des mammifères et assume un large éventail de responsabilités, notamment la vision, l’audition, ainsi que l’initiation et la coordination des mouvements. Le cervelet est plus petit, mais contient un nombre beaucoup plus grand de neurones et joue un rôle important dans la cognition et le mouvement, notamment le contrôle musculaire, l’équilibre et le mouvement.

Bien que le cerveau soit unique aux mammifères, le cervelet est présent chez tous les vertébrés. Le repliement du cerveau, processus par lequel la surface du cerveau forme des crêtes et des rainures, augmente considérablement le rapport surface/volume, permettant à davantage de neurones de se trouver dans un volume plus petit que s’il était déplié. On pense que ce processus joue un rôle important dans le développement, la connectivité et l’organisation du cerveau et du cervelet.

“L’étude du pliage cérébelleux est un défi en raison de la petite taille et de l’abondance de ses folia, petites structures ressemblant à des feuilles de la surface cérébelleuse hautement pliée”, explique l’auteur principal Katja Heuer, chercheuse postdoctorale à l’Institut Pasteur de Paris, France. “En conséquence, on sait peu de choses sur sa diversité et son évolution entre les espèces.”

Pour remédier à cela, Heuer et ses collègues ont examiné les données sur la structure cérébrale de 56 espèces de mammifères, dont les humains, pour explorer l’évolution du cervelet et sa relation avec le cerveau et la taille du corps. Les données ont été obtenues à partir de plusieurs sources ouvertes, notamment le projet BigBrain pour les données humaines et la Comparative Mammalian Brain Collection pour de nombreuses autres espèces. Pour visualiser et segmenter les données, l’équipe a utilisé un outil Web qu’elle avait précédemment développé, appelé MicroDraw.

Ils ont développé des méthodes pour mesurer la géométrie des folia cérébelleux d’une espèce à l’autre et estimer l’épaisseur de la couche moléculaire du cortex cérébelleux. Ils ont également utilisé les données d’arbres phylogénétiques du site Web TimeTree, qui décrivent les lignées évolutives d’une espèce donnée à partir d’un ancêtre commun, pour toutes les espèces incluses dans leur étude.

Étant donné que les espèces ne constituent pas des points de données indépendants en raison de leur lien évolutif, il était crucial pour l’équipe de prendre en compte la structure arborescente phylogénétique. Par exemple, la variation de la structure cérébelleuse pourrait être due à différents processus évolutifs, à une dérive naturelle ou à une sélection. Les chercheurs ont donc utilisé des méthodes comparatives phylogénétiques pour garantir que leurs analyses prennent en compte les relations évolutives et l’histoire de chaque espèce.

Leurs résultats ont montré deux groupes de phénotypes, ou caractéristiques observables. Le premier était un groupe de caractéristiques « diverses » qui variaient considérablement d’une espèce à l’autre, notamment le poids corporel, le poids du cerveau, ainsi que la surface et la longueur des sections cérébelleuses et cérébrales. Ceux-ci variaient tous sur plusieurs ordres de grandeur ainsi que la taille du corps. Le deuxième groupe de caractéristiques « stables » présentait beaucoup moins de variation en comparaison et comprenait la largeur foliaire et l’épaisseur de la couche moléculaire. Ces caractéristiques n’ont changé que légèrement avec les changements dans la taille du cerveau.

En retraçant le chemin évolutif de l’espèce, l’équipe a observé une forte tendance démontrant un changement concerté dans la taille du cerveau et la taille du corps. Les primates, comme les humains, étaient une exception à cette tendance, avec un gros cerveau par rapport à leur taille corporelle.

En outre, les résultats ont confirmé que la taille du cervelet est fortement corrélée à la taille du cerveau et ont révélé que les gros cervelets sont disproportionnellement plus pliés que les plus petits. De même, la largeur des plis cérébelleux était liée à l’épaisseur de la couche moléculaire. Ces modèles étaient hautement conservés chez toutes les espèces étudiées, suggérant la présence d’un mécanisme commun sous-jacent au repliement du cerveau et du cervelet chez les mammifères.

Les auteurs notent qu’il existe quelques limites à l’étude. En raison du nombre réduit d’espèces, seules les mesures neuroanatomiques globales ont pu être analysées. Un plus grand nombre d’espèces permettrait d’étudier les variations locales, voire des reconstructions complètes en 3D pour chaque espèce. Cela présente des défis à la fois d’un point de vue technique en termes de neuroanatomie computationnelle et de méthodes comparatives phylogénétiques, ainsi que du besoin de collaboration et de science ouverte.

“Nos résultats permettent d’examiner de plus près la nature de l’anatomie macroscopique du cervelet, sa relation avec l’anatomie cérébrale, sa diversité parmi les espèces de mammifères et son évolution”, conclut l’auteur principal Roberto Toro, directeur de recherche à l’Institut Pasteur et responsable de l’étude. Unité de Neuroanatomie Appliquée et Théorique.

“Les résultats nous suggèrent que le processus conduisant au repliement cérébelleux et cérébral est le même. Dans les deux structures, le repliement devrait conduire à la formation de modules neuroanatomiques fortement conservés et mécaniquement canalisés, qui pourraient jouer un rôle important dans leur organisation fonctionnelle. ”