C’est ainsi que le cerveau humain est devenu plus gros : nos cellules ont fait face au stress de la taille

C’est ainsi que le cerveau humain est devenu plus gros : nos cellules ont fait face au stress de la taille

Les humains ont développé des cerveaux d’une taille disproportionnée par rapport à ceux de nos parents primates – mais cette amélioration neurologique a eu un prix. Les scientifiques qui étudient ce compromis ont découvert des traits génétiques uniques qui révèlent comment les cellules du cerveau humain gèrent le stress lié au fonctionnement d’un grand cerveau. Cette recherche pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches pour mieux comprendre des maladies telles que la maladie de Parkinson et la schizophrénie.

L'étude publiée le 15 novembre 1 se concentre sur les neurones qui produisent le neurotransmetteur dopamine. Ceci est crucial pour le mouvement, l’apprentissage et le traitement émotionnel.

En comparant des milliers de neurones dopaminergiques cultivés en laboratoire provenant d’humains, de chimpanzés, de macaques et d’orangs-outans, les chercheurs ont découvert que les neurones dopaminergiques humains expriment plus de gènes favorisant l’activité des antioxydants nocifs que les neurones d’autres primates.

Les résultats, qui n'ont pas encore été évalués par des pairs, constituent une étape vers « la compréhension de l'évolution du cerveau humain et de tous les aspects positifs et négatifs potentiels qui y sont associés », explique Andre Sousa, neuroscientifique à l'Université du Wisconsin-Madison. "Il est intéressant et important de vraiment découvrir ce qui est spécifique au cerveau humain, avec le potentiel de développer de nouvelles thérapies ou même de prévenir des maladies à l'avenir."

Neurones stressés

Tout comme la marche debout a entraîné des problèmes de genoux et de dos, et que les changements dans la structure de la mâchoire et le régime alimentaire ont entraîné des problèmes dentaires, l'expansion rapide du cerveau humain au cours de l'évolution a créé des défis pour ses cellules, explique Alex Pollen, co-auteur de l'étude et neuroscientifique à l'Université de Californie à San Francisco. "Nous avons émis l'hypothèse qu'un processus similaire s'était produit et que ces neurones dopaminergiques pourraient représenter des articulations vulnérables."

À l’aide d’une technique d’imagerie, Pollen et son équipe ont montré que deux régions du cerveau nécessitant de la dopamine sont significativement plus grandes chez l’homme que chez les macaques. Le cortex préfrontal est 18 fois plus grand et le striatum est près de sept fois plus grand.

Pourtant, les humains ne possèdent qu’environ deux fois plus de neurones dopaminergiques que leurs parents primates, explique Pollen. Ces neurones doivent donc s’étirer davantage et travailler plus fort – chacun formant plus de deux millions de synapses – dans le cerveau humain plus grand et plus complexe.

"Les neurones dopaminergiques sont de vrais athlètes", explique Nenad Sestan, neuroscientifique du développement à l'Université de Yale à New Haven, Connecticut. "Ils sont constamment activés."

Pour comprendre comment les neurones dopaminergiques humains ont pu s'adapter pour répondre aux exigences d'un gros cerveau, Pollen et ses collègues ont développé des versions de ces cellules en laboratoire.

Ils ont combiné des cellules souches – qui peuvent se développer en de nombreux types de cellules – provenant de huit humains, sept chimpanzés, trois macaques et un orang-outan et les ont cultivées en structures miniaturisées ressemblant à un cerveau, appelées organoïdes. Après 30 jours, ces structures ont commencé à produire de la dopamine, imitant un cerveau en développement.

L’équipe a ensuite séquencé génétiquement les neurones dopaminergiques pour mesurer quels gènes étaient activés et comment ils étaient régulés.

Dans une analyse des neurones humains et de chimpanzés, les chercheurs ont découvert que les neurones humains exprimaient des niveaux plus élevés de gènes qui gèrent le stress oxydatif – un type de dommage cellulaire qui peut être causé par le processus de production de dopamine à forte intensité énergétique. Ces gènes codent pour des enzymes qui décomposent et neutralisent les molécules toxiques appelées espèces réactives de l'oxygène qui peuvent endommager les cellules.

Pour déterminer si les neurones dopaminergiques humains peuvent avoir développé des réponses uniques au stress, les auteurs ont appliqué un pesticide qui provoque un stress oxydatif sur les organoïdes. Ils ont découvert que les neurones développés à partir de cellules humaines augmentaient leur production d'une molécule appelée BDNF, qui est réduite chez les personnes atteintes de maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson. Cependant, la même réponse n’a pas été observée dans les neurones des chimpanzés.

Renforcer la résilience

Comprendre ces mécanismes de protection pourrait soutenir le développement de thérapies renforçant les défenses cellulaires des personnes à risque de développer la maladie de Parkinson. "Certains de ces mécanismes de protection peuvent ne pas être présents chez tout le monde en raison de mutations", explique Sousa. «Cela crée une vulnérabilité supplémentaire pour ces personnes.»

"Il existe certaines cibles potentielles qu'il pourrait être très intéressant de perturber puis de transplanter dans des modèles [animaux] de la maladie de Parkinson pour voir si celles-ci confèrent plus de résilience aux neurones", explique Pollen.

Les organoïdes examinés dans l’étude représentent des neurones en développement équivalents à ceux présents dans un embryon et ne capturent pas toute la complexité des neurones adultes. Les recherches futures doivent examiner comment ces mécanismes de protection persistent dans les neurones matures et vieillissants, explique Sousa, car « les maladies dégénératives affectant ces cellules surviennent généralement à un âge tardif ».

1. Nolbrant, S. et al. Prépublication sur bioRxiv : https://doi.org/10.1101/2024.11.14.623592

   Google Scholar  

Télécharger la littérature