Les humains se demandent depuis longtemps quand et comment nous commençons à former des pensées. Sommes-nous nés avec un cerveau préconfiguré, ou les schémas de pensée commencent-ils seulement à émerger en réponse à nos expériences sensorielles du monde qui nous entoure ? Aujourd’hui, la science est sur le point de répondre aux questions que les philosophes se posent depuis des siècles.
Des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Cruz utilisent de minuscules modèles de tissus cérébraux humains, appelés organoïdes, pour étudier les premiers moments de l'activité électrique dans le cerveau. Une nouvelle étude dans Neurosciences naturelles constate que les premiers déclenchements du cerveau se produisent selon des schémas structurés sans aucune expérience externe, ce qui suggère que le cerveau humain est préconfiguré avec des instructions sur la façon de naviguer et d'interagir avec le monde.
Ces cellules interagissent clairement les unes avec les autres et forment des circuits qui s’auto-assemblent avant que nous puissions expérimenter quoi que ce soit du monde extérieur. Il existe un système d'exploitation qui émerge dans un état primordial. Dans mon laboratoire, nous cultivons des organoïdes cérébraux pour examiner cette version primordiale du système d’exploitation du cerveau et étudier comment le cerveau se construit avant d’être façonné par l’expérience sensorielle. »
Tal Sharf, professeur adjoint de génie biomoléculaire à la Baskin School of Engineering et auteur principal de l'étude
En améliorant notre compréhension fondamentale du développement du cerveau humain, ces résultats peuvent aider les chercheurs à mieux comprendre les troubles neurodéveloppementaux et à identifier l’impact des toxines telles que les pesticides et les microplastiques sur le cerveau en développement.
Étudier le cerveau en développement
Le cerveau, semblable à un ordinateur, fonctionne grâce à des signaux électriques – l’activation des neurones. Le moment où ces signaux commencent à se déclencher et la manière dont le cerveau humain se développe constituent des sujets difficiles à étudier pour les scientifiques, car le cerveau humain en développement précoce est protégé dans l’utérus.
Les organoïdes, qui sont des modèles 3D de tissus cultivés à partir de cellules souches humaines en laboratoire, offrent une fenêtre unique sur le développement du cerveau. Le groupe Braingeneers de l'UC Santa Cruz, en collaboration avec des chercheurs de l'UC San Francisco et de l'UC Santa Barbara, sont des méthodes pionnières pour développer ces modèles et en prendre des mesures afin de mieux comprendre le développement et les troubles du cerveau.
Les organoïdes sont particulièrement utiles pour comprendre si le cerveau se développe en réponse à des entrées sensorielles – comme ils existent en laboratoire et non dans le corps – et peuvent être cultivés de manière éthique en grandes quantités. Dans cette étude, les chercheurs ont incité les cellules souches à former du tissu cérébral, puis ont mesuré leur activité électrique à l’aide de micropuces spécialisées, similaires à celles qui font fonctionner un ordinateur. L'expérience de Sharf en physique appliquée, en calcul et en neurobiologie constitue son expertise dans la modélisation des circuits du cerveau précoce.
« Un système organoïde intrinsèquement découplé de toute entrée sensorielle ou communication avec les organes vous donne une fenêtre sur ce qui se passe avec ce processus d'auto-assemblage », a déclaré Sharf. « Ce processus d'auto-assemblage est vraiment difficile à réaliser avec la culture cellulaire 2D traditionnelle : vous ne pouvez pas obtenir la diversité cellulaire et l'architecture. Les cellules doivent être en contact intime les unes avec les autres. Nous essayons de contrôler les conditions initiales, afin de pouvoir laisser la biologie faire son travail merveilleux. »
Réalisation de patrons
Les chercheurs ont observé l'activité électrique du tissu cérébral alors qu'il s'auto-assemblait à partir de cellules souches pour former un tissu capable de traduire les sens et de produire un langage et une pensée consciente. Ils ont découvert qu’au cours des premiers mois de développement, bien avant que le cerveau humain soit capable de recevoir et de traiter des informations sensorielles externes complexes telles que la vision et l’audition, ses cellules ont spontanément commencé à émettre des signaux électriques caractéristiques des schémas qui sous-tendent la traduction des sens.
Au cours de décennies de recherche en neurosciences, la communauté a découvert que les neurones se déclenchent selon des schémas qui ne sont pas simplement aléatoires. Au lieu de cela, le cerveau a un « mode par défaut » – une structure sous-jacente de base pour activer les neurones qui devient ensuite plus spécifique à mesure que le cerveau traite des signaux uniques comme une odeur ou un goût. Ce mode d’arrière-plan décrit la gamme possible de réponses sensorielles que le corps et le cerveau peuvent produire.
Dans leurs observations de pointes de neurones uniques dans les modèles organoïdes à auto-assemblage, Sharf et ses collègues ont découvert que ces premiers modèles observables présentaient une similitude frappante avec le mode par défaut du cerveau. Même sans avoir reçu aucune entrée sensorielle, ils déclenchent un répertoire complexe de modèles ou de séquences basés sur le temps, qui ont le potentiel d'être affinés pour des sens spécifiques, faisant allusion à un plan génétiquement codé inhérent à l'architecture neuronale du cerveau vivant.
« Ces systèmes intrinsèquement auto-organisés pourraient servir de base à la construction d'une représentation du monde qui nous entoure », a déclaré Sharf. « Le fait que nous puissions les voir à ces premiers stades suggère que l'évolution a trouvé un moyen permettant au système nerveux central de construire une carte qui nous permettrait de naviguer et d'interagir avec le monde. »
Savoir que ces organoïdes produisent la structure de base du cerveau vivant ouvre une gamme de possibilités pour mieux comprendre le développement neurologique humain, les maladies et les effets des toxines dans le cerveau.
« Nous montrons qu'il existe une base pour capturer des dynamiques complexes qui pourraient probablement être des signatures d'apparitions pathologiques que nous pourrions étudier dans les tissus humains », a déclaré Sharf. « Cela nous permettrait de développer des thérapies, en travaillant avec des cliniciens au niveau préclinique pour potentiellement développer des composés, des thérapies médicamenteuses et des outils d'édition génétique qui pourraient être moins chers, plus efficaces et à plus haut débit. »
Cette étude a inclus des chercheurs de l'UC Santa Barbara, de l'Université Washington de Saint-Louis, de l'Université Johns Hopkins, du centre médical universitaire de Hambourg-Eppendorf et de l'ETH Zurich.
