À quel moment notre cerveau commence-t-il à développer des pensées? Est-ce dans l’utérus? Après la naissance, en réponse à nos expériences sensorielles avec le monde? Ou naissons-nous, peut-être, avec un cerveau ‘préconfiguré’, doté d’une capacité à penser qui serait déjà présente? Ce sont des questions qui intriguent philosophes et scientifiques depuis longtemps. Récemment, une étude menée par des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Cruz, et publiée dans ‘Nature Neuroscience’, semble s’approcher de la réponse.
À l’aide de modèles réduits de tissu neuronal humain appelés ‘organoïdes’, les chercheurs ont examiné comment l’activité électrique émerge dans le cerveau. Ils ont découvert que les premiers ‘signaux’ surviennent sous forme de schémas bien définis, sans dépendre d’expériences extérieures. Cela suggère que le cerveau humain comporte déjà des instructions innées sur la façon de naviguer et d’interagir avec son environnement.
Un ‘système d’exploitation’ cérébral
«Ces cellules – déclare Tal Sharf, ingénieur biomoléculaire et auteur principal de l’étude – interagissent clairement entre elles et forment des circuits auto-structurés avant même que nous ne fassions l’expérience du monde extérieur. Il existe un ‘système d’exploitation’ préexistant, qui émerge dans un état primordial. Dans mon laboratoire, nous cultivons des organoïdes cérébraux pour observer cette version initiale du système d’exploitation cérébral et étudier comment le cerveau s’auto-construit avant d’être façonné par l’expérience sensorielle.»
Le cerveau, tout comme un ordinateur, fonctionne grâce à des signaux électriques, qui ‘activent’ les neurones. Toutefois, il est difficile de déterminer précisément quand et comment ces signaux commencent à se manifester, car le développement précoce du cerveau humain se déroule dans un environnement protégé, le ventre maternel.
Organoïde cérébral cultivé à partir de cellules de peau humaine
Les organoïdes, des modèles 3D de tissus cultivés à partir de cellules souches humaines, permettent d’étudier divers organes, y compris le cerveau, sans intervention directe. L’Université de Californie, pionnière dans la recherche sur les organoïdes cérébraux, élabore des méthodes pour en faire croître et mesurer les propriétés, offrant ainsi des perspectives sur le développement et les troubles cérébraux.
Avant l’ère des sens
En particulier, les organoïdes sont particulièrement utiles pour déterminer si le cerveau se développe en réponse aux stimuli sensoriels, étant donné qu’ils évoluent en milieu contrôlé, en dehors du corps. Dans leur étude, Sharf et ses collègues ont stimulé la formation de tissu cérébral à partir de cellules souches, puis mesuré l’activité électrique avec des microprocesseurs spécialisés, semblables à ceux d’un ordinateur.
«Un système organoïde qui est intrinsèquement découplé de toute entrée sensorielle ou communication avec d’autres organes – explique Sharf – constitue une fenêtre ouverte sur ce qui se passe lors de ce processus d’auto-assemblage, une tâche difficile avec des cultures cellulaires 2D traditionnelles, où la diversité cellulaire et l’architecture sont limitées. Les cellules doivent être en contact intime. Nous cherchons à contrôler les conditions initiales afin de permettre à la biologie d’opérer ses merveilles.»
Les chercheurs ont observé l’activité électrique du tissu cérébral pendant que les cellules s’auto-structuraient, devenant capables de ‘traduire’ les sens ainsi que de produire langage et pensée consciente. Ils ont découvert qu’au cours des premiers mois de développement, bien avant que le cerveau humain soit en mesure de recevoir et de traiter des informations sensorielles complexes telles que la vision et l’audition, ses cellules commencent déjà à émettre spontanément des signaux électriques caractéristiques des modèles qui sont à la base de la ‘traduction’ des sens.
Mode par défaut
Des décennies de recherche en neurosciences ont permis de découvrir que l’activation des neurones se produit selon des schémas non aléatoires. En effet, le cerveau présente un ‘mode par défaut’, une structure de base permettant l’activation neuronale qui se spécialise ensuite à mesure que le cerveau traite des signaux uniques, comme une odeur ou un goût. Ce mode ‘de fond’ décrit le potentiel de réponses sensorielles que le corps et le cerveau peuvent générer.
Sharf et son équipe ont observé que ces premiers motifs présentent une similitude frappante avec le mode par défaut du cerveau. Même sans stimulus sensoriel, ils activent un répertoire complexe de séquences qui pourraient être affinées ultérieurement pour des sens spécifiques, révélant ainsi l’existence d’un ‘plan’ codé génétiquement inhérent à l’architecture neuronale du cerveau vivant.
«Ces systèmes intrinsèquement auto-organisés – explique Sharf – pourraient servir de fondation pour construire notre perception du monde. Le fait que nous puissions observer cela à ces premiers stades suggère que l’évolution a trouvé un moyen pour que le système nerveux central puisse créer une carte permettant d’interagir avec le monde.»
La découverte que ces organoïdes reproduisent la structure fondamentale du cerveau ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre le neurodéveloppement, les maladies, et les effets des toxines sur le cerveau.
«Nous prouvons – conclut le scientifique – qu’il existe une base pour capturer des dynamiques complexes qui pourraient signaler des début de pathologies à étudier dans des tissus humains. Cela pourrait nous permettre de développer des thérapies, en travaillant à l’échelle préclinique pour concevoir des composés, des thérapies pharmacologiques et des outils de modification génétique qui seraient plus accessibles, efficaces et performants que les options actuelles.»
Points à retenir
- Les organoïdes cérébraux sont des modèles de tissu cultivés en laboratoire à partir de cellules souches humaines.
- Ils permettent d’étudier le développement du cerveau sans intervention directe.
- Le processus d’auto-assemblage des cellules cérébrales suggère l’existence d’un système d’exploitation cérébral préexistant.
- Les signaux électriques dans le cerveau émergent avant que les stimuli sensoriels ne soient traités.
- Les résultats pourraient offrir de nouvelles approches pour traiter les maladies neurologiques.
Dans cette recherche fascinante, nous découvrons que notre cerveau est peut-être plus complexe que ce que nous croyions, n’attendant pas simplement des expériences pour se développer, mais comportant déjà une architecture interne bien définie. En tant qu’observateur passionné de l’évolution de notre compréhension du cerveau, je me demande comment ces découvertes pourraient transformer notre approche de la neurologie et du traitement des troubles cérébraux. Quelles seraient les implications éthiques de ces avancées, et comment pourrions-nous les intégrer dans nos modèles de soins ? Ces questions méritent d’être explorées davantage.