Apparition des Capacités Humaines – Le néocortex

Il a été découvert que le gène qui nous a rendus intelligents n'est jamais apparu

Les neurosciences identifient le mécanisme génétique qui a permis l'émergence des capacités humaines – Le néocortex

Une équipe de scientifiques de l'Institut des Neurosciences d'Alicante CSIC-UMH, dirigée par le Dr Víctor Borrell, dans une étude publiée dans la revue Cell en juin 2018, identifie pour la première fois un signal moléculaire clé pour l'expansion du cortex cérébral et l'acquisition de son architecture complexe au cours de l'évolution des mammifères.

Ils montrent que cette évolution n'est pas due à l'apparition de nouveaux gènes, comme cela a été suggéré récemment, mais à la régulation fine des mécanismes génétiques qui existent déjà chez les reptiles et qui sont communs à tous les amniotes (reptiles, amphibiens et oiseaux). Le niveau d'activité des gènes conservés au cours de l'évolution, et non l'apparition de nouveaux gènes, a été la clé de l'expansion du cortex cérébral, qui a rendu possible sa grande complexité chez les mammifères.

Cette modulation a donné naissance à une nouvelle forme de neurogenèse plus efficace, qui chez les mammifères a favorisé la multiplication exponentielle du nombre de neurones, l'expansion du cortex cérébral et, avec elle, l'apparition, in fine, des capacités qui nous définissent en tant qu’humains.

La taille du cerveau est radicalement différente entre les reptiles, les oiseaux et les mammifères principalement en raison de la différence de taille et de complexité du cortex cérébral, qui atteint son exposant maximal chez notre espèce. Composé de six couches, comparé aux trois de reptiles et d'oiseaux, le cortex cérébral nous permet de contrôler exclusivement des caractéristiques humaines, telles que la créativité, le langage, l'écriture, le rire, les arts ou la capacité à planifier des actions et à prévoir leurs conséquences.

L'apparition des amniotes

L'expansion du cortex cérébral a commencé avec l'arrivée des amphibiens, au Cambrien, il y a environ 500 millions d'années, lorsque la diversité des formes de vie a explosé. A cette époque, l'apparition d'amniotes – reptiles, amphibiens et oiseaux – dont l'embryon est pourvu d'une cavité remplie de liquide (amnios) qui leur permettait de devenir indépendants de l'eau pour leur reproduction et leur développement.

Quitter le milieu aquatique était un grand défi pour le cerveau primitif, qui a subi de profondes modifications pour intégrer les nouvelles informations visuelles, acoustiques et olfactives qu'il recevait hors de l'eau, ainsi que pour s'adapter à la nouvelle locomotion terrestre, qui a nécessité le développement d’une musculature corporelle spécifique pour déplacer les membres avant et arrière.

Toutes ces modifications ont fait évoluer le petit cortex cérébral primitif des amphibiens pour en devenir le plus grand et le plus complexe des mammifères. Cela s'est produit grâce à une augmentation sans précédent du nombre et des types de neurones, qui a permis le passage d'un cortex composé de trois couches de cellules, appelé paléocortex (cortex ancien) typique des reptiles, à un cortex plus évolué à six couches, typique des mammifères, appelé néocortex (nouveau cortex). Ce grand saut qualitatif a été fondamental pour l'augmentation progressive des capacités cognitives des différentes espèces de mammifères, atteignant finalement le plus haut niveau chez les primates et les humains.

Les cellules souches des neurones

Le développement du cortex cérébral dépend largement des cellules gliales radiales, les cellules souches chargées de générer les neurones et de les guider pendant le développement embryonnaire vers leurs destinations finales dans le cerveau. L'augmentation de la neurogenèse embryonnaire tout au long de l'évolution dépendait d'une décision binaire des cellules gliales radiales : celle de générer directement ou indirectement des neurones.

El desarrollo de la corteza cerebral depende
en gran medida de las células de glía radial

Chez les reptiles et les oiseaux, la plupart des neurones corticaux sont produits directement à partir des cellules gliales radiales, tandis que dans le néocortex des mammifères, la plupart des neurones sont produits indirectement par des cellules génitrices intermédiaires, qui sont regroupées dans la zone dite sous-ventriculaire – “le berceau des neurones” – exclusive au cerveau des mammifères. Ce processus de génération de nouveaux neurones, bien que plus lent, a permis une amplification exponentielle de la production de nouveaux neurones qui ont conduit l'évolution du cortex cérébral.

Jusqu'à présent, les mécanismes qui régulaient cette expansion du cortex cérébral des trois couches de reptiles et d'oiseaux aux six couches de mammifères étaient inconnus. L'équipe de scientifiques a franchi une étape très importante précisément pour comprendre, tant au niveau cellulaire que génétique, comment cette évolution s'est déroulée, ce qui est essentiel pour nous fournir des caractéristiques uniques.

Plus précisément, ils ont identifié pour la première fois un signal moléculaire clé pour l'expansion du cortex cérébral et l'acquisition de son architecture complexe chez les mammifères (néocortex). Cette découverte devient d'autant plus importante qu'elle montre que cette évolution n'était pas due à l'apparition de nouveaux gènes, comme cela a été suggéré récemment, mais à la régulation fine des mécanismes génétiques déjà existants chez les reptiles, qui sont communs à tous les amniotes.

Une "rotonda" nous donne plus de cervelle

La expresión de la llamada proteína rotonda
es clave en la creación o no de nuevas y variadas neuronas

C'est la régulation des niveaux d'activité d'une voie de signalisation hautement conservée, celle du gène Robo (abréviation de Roundabout, en anglais “rotonda”), qui a rendu possible le changement de mode de génération de nouveaux neurones, partant de la neurogenèse directe et peu inefficace à l’indirecte, hautement productive.

Organoïdes cérébraux

Alors que la neurogenèse directe, typique des reptiles et des oiseaux, limite le nombre de nouveaux neurones et donc la taille du cortex cérébral, l'apparition d'une neurogenèse indirecte a permis la production d'un volume de neurones sans précédent. Cela a été réalisé avec la diminution de l'expression du gène Robo au cours de l'évolution des amniotes, en tant que mécanisme principal qui a conduit l'expansion et la complexité du cortex cérébral le long de l'échelle évolutive.

L'équipe a utilisé des expériences de gain et de perte de fonction génique dans des embryons de souris, de poulet et de serpent, ainsi que dans des organoïdes cérébraux humains, pour montrer que de faibles niveaux du gène Robo, combinés à des niveaux élevés du gène Dll1, sont nécessaires et suffisants pour conduire à une neurogenèse indirecte qui a permis le développement du cortex cérébral de plus en plus grand et complexe des mammifères. De plus, ils ont vérifié expérimentalement chez les serpents et les oiseaux que la diminution du signal Robo et la potentialisation de Dll1 récapitulent ce processus évolutif, donnant lieu à la formation de cellules souches qui ne se forment que dans le cerveau des mammifères, et qui sont nécessaires pour la neurogenèse indirecte, également exclusive aux mammifères.

Des chercheurs de l'Université de Genève (Suisse), de l'Institut Max Planck (Allemagne) et des universités de Stanford et Thomas Jefferson (États-Unis) ont collaboré à cette étude.

Cellule gliale radiale

On entend par cellules gliales ou gliales l'ensemble de cellules dérivées de l'épithélium embryonnaire qui recouvrent le système nerveux et forment un réseau de soutien, de protection, de nutrition et d'entretien des neurones.

Une cellule gliale radiale est une cellule de forme bipolaire qui couvre toute la largeur du cortex dans le système nerveux central en développement (SNC) et sert de géniteur primaire capable de générer des neurones, des astrocytes et des oligodendrocytes.

La glie radiale sert de voie ou de guide pour les neurones au cours du développement fœtal. Ledit guidage est dû à l'interaction de la glie et du neurone, à travers un processus d'attraction au niveau chimique et au rôle de la glie dans la promotion de la croissance et de la migration des fibres nerveuses. Néanmoins, ce rôle se réduit avec le temps : une fois que les neurones du cortex ont migré vers leur position finale et une fois que de nouveaux neurones cessent de naître dans la plupart des zones du système nerveux, leur rôle passe à se concentrer sur le soutien du réseau neuronal.

La glie radiale a également été liée à la génération et à la synthèse neuronales elle-même : il a été observé qu'elle peut agir comme génitrice d'autres cellules telles que les neurones. Cette neurogenèse est surtout liée à l'enfance, mais son implication dans la naissance de nouvelles cellules nerveuses dans le cerveau adulte est suspectée dans les quelques zones où elle a été détectée – dans l'hippocampe et le bulbe olfactif – sont celles où elle a été le plus observée.

De même, elles ont été liées à la récupération de certaines fonctions après la présence de lésions cérébrales, et il a été observé leur lien avec des processus tels que l'élagage synaptique et neuronal qui se produit pendant la croissance. Il a également été démontré que les cellules gliales jouent un rôle très important dans la génération d'un réseau cérébrovasculaire complexe, fonctionnel et stable dans le cerveau, en particulier au début de la vie mais aussi tout au long du cycle de vie. Lors d'expériences sur des souris, il a été observé que son inhibition génère une dégradation du réseau de vascularisation cérébrale et du métabolisme cérébral, ce qui facilite grandement l'apparition de la neurodégénérescence.

Comme le reste des cellules gliales, la glie radiale a également le rôle important de soutenir et de maintenir en vie les neurones qui les entourent, de faciliter leur croissance et de les nourrir.

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