L'hypothalamus est une région petite mais critique à la base du cerveau qui contrôle le système nerveux autonome, régule la température corporelle, signale la faim et la soif, exerce un contrôle hormonal sur la glande pituitaire, aide à établir des rythmes circadiens, à influencer le comportement sexuel et la reproduction, et joue un rôle dans les comportements instinctifs comme la peur, l'agression et la création maternelle.
Malgré sa taille compacte, il présente une structure et une fonction remarquablement complexes, ainsi qu'un éventail extrêmement diversifié de types neuronaux. Bien que l'on sache beaucoup de régions cérébrales comme le cortex cérébral et le cervelet, les mécanismes de développement et les adaptations évolutives de l'hypothalamus des mammifères sont restés insaisissables.
Dans une nouvelle étude publiée dans Cellule de développement Le 8 avril, une équipe de recherche dirigée par le professeur Wu Qingfeng à l'Institut de génétique et de biologie du développement de l'Académie chinoise des sciences a démontré le développement cellulaire conservé et les innovations évolutives dans l'hypothalamus humain en développement.
Le cerveau des mammifères se développe à travers une série sophistiquée et chorégraphiée d'événements génétiquement régulés: façonner des domaines de progéniteurs neuronaux distincts (cellules cérébrales précoces), produisant des neurones à partir de progéniteurs neuronaux, établissant des liens entre les neurones et affectant leurs communications. Alors que l'hypothalamus suit un plan similaire, il faut un détour de développement unique pour pouvoir remplir ses diverses fonctions.
Auparavant, Wu et son équipe ont proposé un «modèle de diversification en cascade» pour expliquer comment l'hypothalamus génère sa diversité neuronale extraordinaire. Ils ont montré que les progéniteurs neuronaux, les progéniteurs intermédiaires et les neurones naissants le long de la hiérarchie de la lignée contribuent à la diversification du destin des neurones hypothalamiques de manière pas à pas.
Dans cette nouvelle étude, l'équipe de Wu a examiné de près comment les cellules cérébrales de l'hypothalamus sont organisées pendant le développement, tracé comment différents types de cellules émergent des progéniteurs neuronaux à mesure que le cerveau se développe et a identifié les caractéristiques génétiques conservées à travers les mammifères et lesquelles ont changé de manière unique chez l'homme au cours de l'évolution.
Cette étude fait progresser notre compréhension de la façon dont l'hypothalamus se développe en faisant trois types de contributions: méthodologique, liée aux ressources et conceptuelle. Du côté méthodologique, les chercheurs ont combiné plusieurs techniques avancées d'analyse des cellules-cellules, le séquençage unique et la transcriptomique spatiale pour obtenir une vision détaillée de l'activité des gènes pendant le développement du cerveau. En tant que ressource, ils ont utilisé ces données pour créer une carte spatiale montrant où différentes cellules progénitrices neurales sont situées dans l'hypothalamus en développement de mammifères.
Pour la contribution conceptuelle, ils ont identifié trois centres morphogénétiques conservés (appelés « organisateurs tertiaires ») qui envoient des signaux pour coordonner la régionalisation hypothalamique précoce, révélant une segmentation antéropostérieure du primordium hypothalamique par la famille de gènes Fox. Ces résultats fournissent des informations mécanistes clés sur le processus de structuration neurale régissant le développement de l'hypothalamus humain et de souris.
L'équipe a ensuite utilisé des méthodes de calcul pour reconstruire un arbre de lignée neurogène, traçant comment différents types de neurones hypothalamiques se développent à partir de diverses régions des progéniteurs. Ils ont identifié un ensemble de facteurs de lignée conservés qui peuvent guider ce processus de développement. De plus, ils ont découvert un sous-type neuronal distinct unique aux humains, dont la fonction n'est pas encore connue, et ils ont observé une augmentation substantielle de l'expression de gènes neuromodulatifs, tels que ceux codants pour les canaux ioniques, les récepteurs et les neuro-mèches en neurones humains.
La cartographie spatiale a révélé que les neurones neuroendocrines, spécifiquement, les types de GnRH et de GHRH – sont distribués différemment chez l'homme par rapport aux souris. Cela suggère que la structure et la fonction du système neuroendocrine ont évolué différemment dans chaque espèce pour répondre à leurs besoins uniques.
De plus, une comparaison inter-espèces des neurones dopamine hypothalamiques a fourni des preuves de preuve de concept d'un déplacement potentiel de la co-transmission à double transmetteur (dopamine-gaba et dopamine-glutamate) et des couches peptidiques-neurotransmetteur (dopamine-AVP et dopamine-Ghrh) entre les espèces.
Ces divergences peuvent contribuer aux différences phénotypiques entre les espèces, telles que les changements évolutifs dans l'apprentissage des récompenses, le comportement motivé, le schéma de croissance corporelle et la réponse au stress. Pour soutenir ces résultats, les chercheurs ont développé des cadres d'apprentissage automatique pour la reconstruction de la lignée et l'inférence du réseau réglementaire, soutenu par des ensembles de données transcriptomiques multi-espèces.
Collectivement, cette étude révèle des mécanismes de structuration neuronale conservés dans le développement de l'hypothalamus des mammifères, reconstruit un arbre de lignée neurogène et identifie quatre divergences évolutives adaptatives dans le développement de neurones humains: un sous-type neuronal enrichi humain, une neuromodulation améliorée, une neurochémique redistribuée et un nouveau didopamique redistribué et un nouveau didopamilique et un recommandation de neurochémie rédistante dans des hypothamiques et des récidits de la neuro-amotolamicale et un recommandation de neurochamémie dans l'hypothamique et un récit de la neuro-aro-are neurones.
Ce travail présente la première analyse intégrative de l'ontogenèse cellulaire et de la divergence évolutive dans l'hypothalamus en développement des mammifères. Les résultats complets suggèrent que les structures sous-corticales humaines peuvent généralement adopter des stratégies de structuration neuronale conservées, tout en adaptant la composition neuronale, la distribution spatiale, la sensibilité aux entrées et la stabilité de la production neuronale pour soutenir la cognition sociale avancée et la flexibilité comportementale.
L'innovation entre les neurones hypothalamiques révélées dans cette étude améliorera notre compréhension des mécanismes cellulaires sous-jacents aux fonctions physiologiques spécifiques de l'homme et aux vulnérabilités de la maladie.
