Qu'est-ce qu'un regard sur plus de 3 000 types de cellules dans le cerveau humain nous révèle.

Un nouveau regard sur le cerveau humain commence à révéler la vie intérieure de ses résidents cellulaires.

Le cerveau humain contient une collection vertigineuse de cellules diverses, et il n’y a pas deux cerveaux identiques, sur le plan cellulaire. Telles sont les conclusions dominantes d’une série de 21 articles publiés en ligne le 12 octobre dans Science, Science Advances and Science Translational Medicine.

Les résultats ne font qu’effleurer la surface de la compréhension des mystères du cerveau. Pourtant, ils fournissent l’examen le plus intime à ce jour des cellules qui construisent le cerveau et offrent des indices sur la manière dont le cerveau permet les pensées, les actions et les souvenirs. La collecte de données pourrait également guider les chercheurs dans leur recherche des causes de troubles cérébraux comme la schizophrénie, la maladie d’Alzheimer et la dépression.

La nouvelle carte cérébrale est le résultat d'un effort de recherche international coordonné appelé Brain Initiative Cell Census Network (BICCN) des National Institutes of Health, qui s'est intensifié en 2017. De nombreuses études de la collection sont basées sur une technologie puissante appelée single- génomique cellulaire. La méthode révèle quels gènes sont actifs à l’intérieur d’une seule cellule, informations qui fournissent des indices sur l’identité et le travail de la cellule.

Dans le cadre du BICCN, les chercheurs ont examiné toutes sortes de cerveaux. Un projet a détaillé les cellules présentes dans de petits morceaux de tissu cérébral vivant prélevés sur 75 personnes subissant une intervention chirurgicale pour des tumeurs ou de l'épilepsie, une approche qui a déjà été utilisée à plus petite échelle (SN : 8/7/19). Un autre a examiné des échantillons prélevés sur le cerveau de 17 enfants décédés. Un autre encore a examiné les tissus cérébraux de sept personnes, sept chimpanzés, quatre gorilles, trois macaques rhésus et trois ouistitis.

La résolution fournie par la génomique unicellulaire a révélé des détails sur les cellules du cerveau humain d’une manière que les méthodes précédentes ne pouvaient pas permettre. "C'est remarquable à quel point cela fonctionne", déclare Ed Lein, neuroscientifique à l'Allen Institute for Brain Science à Seattle et l'un des principaux chercheurs du groupe BICCN. Collectivement, les nouvelles études décrivent plus de 3 000 types de cellules résidant dans le cerveau humain.

Le principal point à retenir, dit Lein, est que « le cerveau est vraiment complexe, d’un point de vue cellulaire ».

Au milieu de cette complexité, plusieurs idées clés ont déjà émergé, notamment des indices sur la façon dont le cerveau humain se développe, comment il varie selon les personnes et comment il diffère de celui de proches parents des primates.

Certaines études se sont concentrées sur de très jeunes cerveaux. Une étude des deux premiers trimestres de la croissance cérébrale, par exemple, a révélé des détails jusqu’alors inconnus sur l’identité des cellules nerveuses du thalamus, une sorte de relais pour les informations entrant dans le cerveau. Beaucoup de ces cellules, appelées neurones GABAergiques, naissent ailleurs dans le cerveau en développement et migrent vers le thalamus.

D’autres résultats montrent que les premières années comptent beaucoup. Seth Ament, neuroscientifique à la faculté de médecine de l'Université du Maryland à Baltimore, et ses collègues ont examiné les cellules cérébrales du cervelet, une région cérébrale située à l'arrière du cerveau. Chez les enfants décédés avec une inflammation du cerveau, certains types de cellules nerveuses – les neurones de Purkinje et de Golgi – présentaient des niveaux modifiés de gènes actifs. Ce schéma, qui s'applique à huit cerveaux, suggère qu'une inflammation précoce dans la vie pourrait altérer le développement des cellules nerveuses à certains endroits.

"Je suis étonné que nous ayons vu quelque chose d'aussi cohérent dans les échantillons", déclare Ament.

Certaines études se sont concentrées sur la variabilité entre les régions du cerveau et entre les personnes.

Une étude a examiné des cellules provenant d’environ 100 points prélevés sur quatre cerveaux adultes. Les chercheurs ont découvert, entre autres choses, que les cellules appelées astrocytes utilisaient leurs gènes différemment selon l’endroit où ils résident. La découverte suggère que ces cellules, connues pour aider les cellules nerveuses à établir des connexions et à maintenir les tissus cérébraux en bonne santé, pourraient être spécialisées pour leur région.

Une autre étude a examiné huit régions du néocortex, la zone externe ridée responsable de la pensée sophistiquée. Les cellules de ces régions sont quelque peu standardisées, triées systématiquement en 24 catégories, ont découvert les scientifiques. Mais les régions présentent des différences dans les proportions de cellules. Ce que cela signifie pour le fonctionnement de ces régions reste à deviner.

Des similitudes existent également entre les gens. Les chercheurs ont découvert des modèles cellulaires très cohérents lorsqu’ils ont comparé les cellules cérébrales de 75 personnes. Mais il y avait aussi beaucoup de marge de manœuvre. Les microglies, cellules immunitaires du cerveau qui sculptent également les connexions des cellules nerveuses, étaient particulièrement uniques dans les gènes qu'elles utilisent d'une personne à l'autre, par exemple.

Certaines recherches comparent le cerveau humain avec celui des primates, notamment les chimpanzés, les gorilles, les macaques rhésus et les ouistitis. En examinant les cellules du cerveau d’autres primates, dit Lein, « nous pouvons enfin nous poser la question de savoir ce qui rend les humains uniques ».

Dans l’ensemble, les cellules du gyrus temporal moyen, une partie du cortex cérébral, ne différaient pas beaucoup entre les cerveaux des primates. "Il est vraiment remarquable que cette composition cellulaire complexe soit si conservée", dit Lein. "Mais vous avez aussi ces changements."

Par rapport aux autres primates, les cellules du cerveau humain utilisent certains gènes différemment, en particulier les gènes liés à la façon dont les cellules établissent des connexions et communiquent, ont découvert les chercheurs. L’analyse a également révélé quelques centaines de gènes qui semblent se comporter de manière spécifique à l’homme dans les cellules cérébrales. Les chercheurs ne savent pas encore ce que ces gènes pourraient faire.

Le neuroanatomiste en imagerie Matthew Glasser prévient qu'il peut être difficile de dire exactement quelles zones du cerveau sont comparables chez les primates. Pourtant, les résultats sont « la première étape vers quelque chose de vraiment cool », déclare Glasser, de la faculté de médecine de l’université de Washington à Saint-Louis, qui n’a pas participé à ces études.

Dans l’ensemble, les progrès représentés par ces résultats et ceux associés « sont vraiment époustouflants », déclare le cartographe cortical David Van Essen, qui n’a pas travaillé sur les nouvelles études. « La communauté bénéficiera certainement des résultats de cette collection de documents. »

Mais plus important encore, ce n’est qu’un aperçu de ce qui va arriver. "Ce n'est pas un point final à mon avis", déclare Van Essen, également à l'Université de Washington. "C'est plutôt un point médian."

Ament est d’accord. « Ces documents, aussi importants soient-ils à mes yeux, ne sont pas la fin », dit-il. "C'est plutôt le début, et maintenant nous avons encore beaucoup de travail à faire."

Les nouvelles cartes cérébrales seront probablement révisées, affinées et complétées, dit Lein. Les scientifiques travaillent déjà sur les prochaines itérations, qui cherchent à combiner des vues agrandies des réseaux cérébraux et du comportement cérébral avec les détails ultrafins fournis par la technologie unicellulaire.

"Maintenant que nous disposons de ces techniques", explique Glasser, "nous essayons de les combiner avec l'imagerie cérébrale et la neuroscience des systèmes pour essayer de résoudre le casse-tête."

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