Redéfinir l’évolution du cerveau : dévoiler le rôle du « petit cerveau » dans le saut cognitif humain

Des scientifiques d’Heidelberg ont révélé des mécanismes génétiques qui régissent la formation de divers types de cellules dans le cervelet humain et chez d’autres mammifères.

L’avancement des capacités cognitives supérieures chez l’homme est principalement associé à la croissance du néocortex, une zone cérébrale essentielle à la pensée consciente, au mouvement et à la perception sensorielle. Cependant, les chercheurs se rendent de plus en plus compte que le « petit cerveau » ou cervelet s’est également développé au cours de l’évolution et contribue probablement aux capacités uniques de l’homme, explique le professeur Henrik Kaessmann du Centre de biologie moléculaire de l’Université de Heidelberg.

Son équipe de recherche a généré – en collaboration avec le professeur Stefan Pfister du Hopp Children’s Cancer Center de Heidelberg – des cartes génétiques complètes du développement des cellules du cervelet des humains, des souris et des opossums. Les comparaisons de ces données révèlent à la fois ancestrales et espèces-caractéristiques cellulaires et moléculaires spécifiques du développement du cervelet couvrant plus de 160 millions d’années d’évolution des mammifères.

Révéler la complexité du cervelet

«Bien que le cervelet, une structure située à l’arrière du crâne, contienne environ 80 pour cent de tous les neurones de l’ensemble du cerveau humain, il a longtemps été considéré comme une région cérébrale dotée d’une architecture cellulaire plutôt simple», explique le professeur Kaessmann. Cependant, ces derniers temps, les preuves suggérant une hétérogénéité prononcée au sein de cette structure se sont multipliées, explique le biologiste moléculaire.

Les cartes génétiques du développement des cellules dans le cervelet des humains, des souris et des opossums mettent en lumière les caractéristiques cellulaires et moléculaires ancestrales et spécifiques à l’espèce du développement du cervelet. Crédit : Mari Sepp

Les chercheurs de Heidelberg ont désormais systématiquement classé tous les types de cellules dans le cervelet en développement des humains, des souris et des opossums. Pour ce faire, ils ont d’abord collecté les profils moléculaires de près de 400 000 cellules individuelles à l’aide de technologies de séquençage unicellulaire. Ils ont également utilisé des procédures permettant une cartographie spatiale des types de cellules.

Cellules de Purkinje et fonction cognitive

Sur la base de ces données, les scientifiques ont noté que dans le cervelet humain, la proportion de cellules de Purkinje – de grands neurones complexes dotés de fonctions clés dans le cervelet – est presque le double de celle de la souris et de l’opossum aux premiers stades du développement fœtal. Cette augmentation est principalement due à des sous-types spécifiques de cellules de Purkinje qui sont générées en premier au cours du développement et communiquent probablement avec les zones néocorticales impliquées dans les fonctions cognitives du cerveau mature.

« Il va de soi que l’expansion de ces types spécifiques de cellules de Purkinje au cours de l’évolution humaine soutient des fonctions cognitives plus élevées chez l’homme », explique le Dr Mari Sepp, chercheuse postdoctorale au sein du groupe de recherche du professeur Kaessmann « Évolution fonctionnelle des génomes de mammifères ».

Analyse génétique et informations évolutives

À l’aide d’approches bioinformatiques, les chercheurs ont également comparé les programmes d’expression génique dans les cellules du cervelet d’humains, de souris et d’opossums. Ces programmes sont définis par les activités affinées d’une myriade de gènes qui déterminent les types en lesquels les cellules se différencient au cours du développement. Des gènes présentant des profils d’activité spécifiques à un type de cellule ont été identifiés et ont été conservés dans toutes les espèces pendant au moins environ 160 millions d’années d’évolution.

Selon Henrik Kaessmann, cela suggère qu’ils sont importants pour les mécanismes fondamentaux qui déterminent l’identité des types cellulaires dans le cervelet des mammifères. Dans le même temps, les scientifiques ont identifié plus de 1 000 gènes avec des profils d’activité différents entre les humains, les souris et les opossums.

« Au niveau des types cellulaires, il arrive assez fréquemment que les gènes obtiennent de nouveaux profils d’activité. Cela signifie que les gènes ancestraux, présents chez tous les mammifères, deviennent actifs dans de nouveaux types de cellules au cours de l’évolution, modifiant potentiellement les propriétés de ces cellules », explique le Dr Kevin Leiss, qui – au moment des études – était doctorant au Prof. Groupe de recherche de Kaessmann.

Implications pour la recherche biomédicale

Parmi les gènes présentant des profils d’activité différents entre l’homme et la souris – l’organisme modèle le plus fréquemment utilisé dans la recherche biomédicale – plusieurs sont associés à des troubles du développement neurologique ou à des tumeurs cérébrales infantiles, explique le professeur Pfister. Il est directeur du Hopp Children’s Cancer Center Heidelberg, dirige une division de recherche au Centre allemand de recherche sur le cancer et est oncologue pédiatrique consultant à l’hôpital universitaire de Heidelberg.

Les résultats de l’étude pourraient, comme le suggère le professeur Pfister, fournir des indications précieuses dans la recherche de systèmes modèles appropriés – au-delà du modèle murin – pour explorer davantage ces maladies.

Outre les scientifiques de Heidelberg, des chercheurs de Berlin ainsi que de Chine, de France, de Hongrie et du Royaume-Uni ont également participé aux études. Le Conseil européen de la recherche a financé la recherche. Les données sont disponibles dans une base de données publique.