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Une mère chimpanzé (Pan troglodytes) allaite son bébé dans le parc national de Mahale Mountains, en Tanzanie, sur les rives du lac Tanganyika, où le coauteur de l’étude, Alex Pollen, a été inspiré pour étudier l’évolution du cerveau des humains et des chimpanzés.

Les changements génétiques du développement du cerveau

Au cours de l’évolution humaine, plusieurs changements génétiques ont déclenché une multiplication spectaculaire du néocortex du cerveau, la couche la plus externe des tissus cérébraux responsable du langage à la conscience de soi, en passant par la pensée abstraite. Identifier ce qui a conduit ce changement évolutif est fondamental pour comprendre ce qui fait de nous des humains.
Cela a été particulièrement difficile pour les scientifiques en raison des interdictions éthiques d’étudier en laboratoire les cerveaux en développement de notre plus proche parent vivant, le chimpanzé.
« À la naissance, le cortex humain est déjà deux fois plus grand que chez le chimpanzé, nous devons donc remonter beaucoup plus tôt dans le développement embryonnaire pour comprendre les événements qui entraînent cette croissance incroyable », a déclaré Arnold Kriegstein, MD, Ph.D., Professeur distingué John Bowes en biologie des cellules souches et des tissus, directeur fondateur du Centre de recherche sur la médecine régénérative et les cellules souches Eli and Edyth à l’UC San Francisco et membre de l’UCSF Weill Institute for Neurosciences.

Des organoïdes cérébraux de chimpanzés 

Dans une étude publiée le 7 février 2019, dans Cell, Kriegstein et ses collaborateurs ont contourné cette impasse en créant des « organoïdes » cérébraux de chimpanzés – de petites grappes de cellules cérébrales développées à partir de cellules souches dans un plat en laboratoire imitant le développement et l’organisation de cellules souches des cerveaux.
Le groupe de Kriegstein a été l’un des pionniers de la croissance d’organoïdes cérébraux humains à partir de cellules souches pluripotentes induites (CSPi) – des cellules adultes (généralement des cellules cutanées) reprogrammées en cellules souches pouvant devenir n’importe quel tissu dans le corps. Les organoïdes sont devenus depuis quelque temps un outil précieux pour l’étude du développement des tissus humains et des maladies dans un laboratoire contrôlé.
Mais cette nouvelle étude, dans laquelle les chercheurs ont généré 56 organoïdes à partir de cellules souches dérivées de la peau de huit chimpanzés et de 10 humains, marque pour la première fois où des chercheurs ont pu produire et étudier en masse des organites cérébraux de chimpanzés.
« Notre capacité à prélever des cellules de peau chez un chimpanzé adulte, à les transformer en CPSi, puis à étudier leur développement dans des plats en  laboratoire est stupéfiante », a déclaré Kriegstein. « C’est une expérience de « science-fiction »qui n’aurait pas pu se produire il y a 10 ans. »

Une fenêtre sur six millions d’années d’évolution

« Ces organoïdes de chimpanzés nous donnent une fenêtre autrement inaccessible sur six millions d’années de notre évolution. Ils nous permettent de nous poser de nouvelles questions sur ce qui nous rend humains », a ajouté le copremier auteur de l’étude, Alex Pollen, Ph.D., professeur adjoint de neurologie. et ancien chercheur post-doctoral au laboratoire Kriegstein, qui a dirigé le développement de cette nouvelle technologie des cellules souches et des organoïdes des grands singes.
Dans cette nouvelle étude, la copremier auteur, Aparna Bhaduri, Ph.D., chercheuse post-doctorale au laboratoire Kriegstein, a décomposé des organoïdes humains et de chimpanzés à différents stades de leur développement, ce qui lui a permis de comparer directement les types de cellules spécifiques et les programmes génétiques qui orchestrent la croissance du cerveau d’un chimpanzé et du cerveau d’un humain.
En recherchant les différences d’activité génique entre les organoïdes humains et les organoïdes de chimpanzé (ainsi que le tissu de référence d’un autre primate, le singe macaque rhésus), Bhaduri a identifié plusieurs centaines de modifications génétiques uniques à la lignée humaine qui pourraient aider à expliquer les origines évolutives de notre cerveau.
Par exemple, Bhaduri a découvert que des cellules précurseures neurales appelées cellules gliales radiales externes (ORG) – découvertes à l’origine par le laboratoire Kriegstein – montraient une activité accrue d’un réseau de signalisation de la croissance clé appelé voie mTOR dans les organoïdes humains.

Une voie moléculaire qui semble avoir été spécifiquement ciblée

Le laboratoire Kriegstein étudie depuis près de dix ans le rôle des ORG dans l’expansion du cortex humain « , il était donc particulièrement intéressant de découvrir une voie moléculaire dans ces cellules qui semble avoir été spécifiquement ciblée au cours de l’évolution et qui pourrait aider à expliquer leur rôle spécialisé dans la génération du cortex humain », a déclaré Bhaduri.
Les problèmes liés à la signalisation mTOR ont également été liés à l’autisme et à d’autres troubles du développement neurologique humains, suggérant de nouvelles questions quant à savoir si les voies impliquées dans l’évolution relativement récente de notre cerveau jouent un rôle particulier dans ces troubles.
De son côté, Pollen a déclaré qu’il travaillait à ces expériences depuis plus d’une décennie, alors qu’il était un chercheur de premier cycle étudiant l’évolution des poissons cichlidés dans le lac Tanganyika en Tanzanie, à quelques kilomètres de la célèbre station de recherche sur les chimpanzés de Jane Goodall au parc national de Gombe Stream.

Répondre à des questions de longue date 

« Être si proche des chimpanzés sauvages m’a donné envie de me poser des questions sur l’évolution de notre propre espèce », a déclaré Pollen. « Mais avant tout, nous avions besoin de génomes, de cellules souches et d’un séquençage d’ARN monocellulaire pour pouvoir comprendre les programmes évolutifs qui régissent le développement du cerveau chez les deux espèces.
Tous ces éléments sont depuis tombés en place, nous permettant de répondre à ces questions de longue date avec plus de précision que jamais auparavant. »
Source : University of California San Francisco
Crédit photo : Pixabay

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