Le cerveau se construirait à partir de deux lignées embryonnaires distinctes

Plutôt qu’un unique ensemble de cellules nerveuses qui se spécialiserait progressivement, le cerveau pourrait se former très tôt à partir de deux programmes embryonnaires distincts. C’est la conclusion rapportée par des chercheurs de Stanford Medicine : une lignée exprimant le gène Otx2 formerait le cerveau antérieur et le mésencéphale, tandis qu’une autre, exprimant Gbx2, serait vouée au cerveau postérieur, qui comprend notamment le tronc cérébral. 1

Cette distinction ne signifie pas que le cerveau adulte est constitué de deux parties isolées : ses régions sont étroitement connectées et interdépendantes. Elle concerne l’origine embryonnaire des cellules. Elle pourrait aussi éclairer pourquoi il est difficile de fabriquer en laboratoire certains types de neurones du tronc cérébral.

Deux populations repérées dès les premiers stades embryonnaires

L’équipe a étudié des embryons de souris durant la gastrulation, une phase très précoce du développement. Elle y a distingué deux populations de précurseurs du tissu nerveux :

• une population antérieure marquée par Otx2, dont descendent le cerveau antérieur et le mésencéphale ;
• une population postérieure marquée par Gbx2, engagée dans la formation du cerveau postérieur. 1

D’après Stanford Medicine, ces populations ne se chevauchaient jamais aux stades les plus précoces observés : elles étaient mutuellement exclusives. 1

Le résultat remet en cause un scénario dans lequel un précurseur neural commun adopterait peu à peu une identité antérieure ou postérieure. Il soutient plutôt l’idée de deux trajectoires de développement définies en parallèle dès le départ.

La chromatine confirme des destins cellulaires différents

Les chercheurs ne se sont pas limités à l’expression des gènes. Ils ont aussi analysé la chromatine, c’est-à-dire l’organisation de l’ADN dans la cellule, qui influence les gènes auxquels celle-ci peut accéder et donc les fonctions qu’elle est en mesure d’acquérir.

Les tissus nerveux antérieur et postérieur présentaient des états de chromatine distincts. Selon l’interprétation des chercheurs, cela renforce l’idée d’engagements développementaux séparés : les cellules associées à Otx2 et celles associées à Gbx2 ne seraient pas de simples cellules interchangeables qui répondraient ultérieurement à des signaux différents.

Des travaux antérieurs avaient déjà établi qu’Otx2 et Gbx2 délimitent des territoires opposés autour de la future jonction entre mésencéphale et cerveau postérieur : Otx2 est nécessaire au développement du cerveau antérieur et du mésencéphale, tandis que Gbx2 est nécessaire à celui de la partie antérieure du cerveau postérieur. 1 La nouvelle étude situe cette séparation dans des populations de précurseurs distinctes, à un stade particulièrement précoce.

Une nouvelle voie pour produire des neurones du tronc cérébral

Cette découverte a eu une conséquence concrète pour les cellules souches. Si l’identité du cerveau postérieur naît d’une voie propre, tenter de transformer un précurseur neural déjà orienté vers l’avant du cerveau en cellule postérieure risque de contourner une contrainte essentielle du développement.

Les chercheurs ont donc guidé des cellules souches pluripotentes humaines le long du programme postérieur. Selon Stanford Medicine, ils ont ainsi obtenu in vitro des neurones moteurs humains du cerveau postérieur fonctionnels. Ces cellules produisaient des potentiels d’action et présentaient des caractéristiques moléculaires liées à des régions impliquées dans le contrôle des mouvements du visage et de la déglutition. 1

Un modèle plus précis pour certaines maladies neurologiques

Les neurones moteurs du cerveau postérieur intéressent particulièrement la recherche sur des maladies où une atteinte du tronc cérébral peut affecter la déglutition et la respiration, comme l’amyotrophie spinale ou la sclérose latérale amyotrophique (SLA).

Il ne s’agit pas d’un traitement, ni de la preuve que des cellules cultivées reproduisent tous les aspects de ces maladies. L’intérêt immédiat est de disposer d’un modèle expérimental plus fidèle à l’identité régionale recherchée, afin d’étudier les mécanismes de la maladie et la vulnérabilité de certains neurones.

Une organisation qui remonterait à avant les vertébrés

Les chercheurs rapportent une organisation comparable — deux origines antérieure et postérieure — chez des embryons de poulet et de poisson-zèbre, mais aussi chez le ver gland, un deutérostomien apparenté de loin aux vertébrés. À partir de ces comparaisons, ils estiment que cette division est très ancienne sur le plan évolutif, de l’ordre de 550 millions d’années. 1

C’est une inférence tirée d’une logique de développement partagée, et non l’affirmation que les cerveaux actuels de ces animaux sont identiques. Ce qui semble conservé est le principe général : des programmes nerveux antérieur et postérieur distincts contribuent ensemble à former un système nerveux intégré.

Ce que recouvre réellement l’expression « deux organes »

La formule peut paraître spectaculaire, mais elle doit être comprise avec précision. Elle ne décrit ni deux cerveaux déconnectés chez l’être humain adulte, ni des régions qui fonctionneraient indépendamment l’une de l’autre.

La conclusion étayée par l’étude est plus ciblée : le cerveau antérieur et le mésencéphale, d’un côté, et le cerveau postérieur, de l’autre, semblent provenir de lignées précoces distinctes et non chevauchantes. Ce changement de perspective peut aider à comprendre pourquoi certains types cellulaires du tronc cérébral ont été si difficiles à produire en culture — et pourquoi suivre leur trajectoire embryonnaire propre peut faire la différence. 1