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Des scientifiques ont réussi à créer des cerveaux minuscules à partir de cellules souches. Ces derniers ont ensuite développé des réseaux de neurones fonctionnels.

Bien que ces cerveaux développés en laboratoire soient un million de fois plus petits que le cerveau humain, ils sont les tout premiers à produire des ondes cérébrales similaires à celles des bébés prématurés.

Les résultats de cette étude pourraient bien aider les scientifiques à mieux comprendre le développement du cerveau humain. « Le niveau d’activité neuronale que nous observons est sans précédent in vitro », déclare Alysson Muotri, biologiste à l’Université de Californie à San Diego. « Nous nous rapprochons d’un modèle qui peut réellement générer les premières étapes d’un réseau de neurones sophistiqué », a ajouté Muotri.

Les cerveaux, qui font la taille d’un pois et appelés organoïdes cérébraux, sont dérivés de cellules souches pluripotentes humaines. En les mettant en culture, ce qui imite l’environnement du développement cérébral, ces cellules souches se différencient en différents types de cellules cérébrales et s’auto-organisent en une structure tridimensionnelle ressemblant au cerveau humain en développement.

De cette manière, les scientifiques ont réussi à faire croître des organites avec des structures cellulaires similaires à celles du cerveau humain. Il faut savoir qu’aucun des modèles précédents n’avait développé des réseaux de neurones fonctionnels similaires à ceux de l’Homme.

organoide cerebral cellule souche

Coupe transversale d’un organoïde cérébral montrant la formation initiale d’une plaque corticale. Chaque couleur marque un type différent de cellule cérébrale. Crédits : Muotri Lab/UCTV

À noter que les réseaux apparaissent lorsque les neurones sont matures et deviennent interconnectés. Ces derniers sont essentiels à la plupart des activités cérébrales. « Vous pouvez utiliser des organoïdes cérébraux pour plusieurs choses, y compris comprendre le développement neurologique humain normal, le développement de maladies, l’évolution du cerveau, le dépistage de drogues, et même pour informer l’intelligence artificielle », explique Muotri.

Muotri et ses collègues ont conçu une meilleure procédure pour cultiver des cellules souches, notamment en optimisant la formule du milieu de culture : ces ajustements ont permis à leurs organites de devenir plus matures que les modèles précédents. L’équipe de recherche a ainsi développé des centaines d’organoïdes pendant 10 mois et a utilisé des réseaux multi-électrodes pour surveiller leurs activités neurales.

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Puis, les chercheurs ont commencé à détecter des éclats d’ondes cérébrales émanant d’organoïdes au bout d’environ deux mois. Les signaux étaient clairsemés et avaient la même fréquence (une tendance observée dans des cerveaux humains très immatures).

Alors que les organoïdes continuaient de croître, ils produisaient des ondes cérébrales à différentes fréquences et les signaux apparaissaient de manière plus régulière. Selon les chercheurs, cela suggère que les organoïdes ont développé davantage leurs réseaux de neurones. « Cela est dû au fait que les synapses sont plus fonctionnelles, ce qui permet d’établir plus de connexions entre les neurones », a déclaré Muotri.

organoide cerebral cellule souche

Cette carte d’activité générée par des réseaux multi-électrodes révèle le degré d’activité de l’organoïde cérébral (le rouge signifie qu’il est très actif et le noir qu’il est silencieux). Crédits : Muotri Lab/UCTV

Afin de comparer les schémas des ondes cérébrales des organoïdes à ceux du cerveau humain en début de développement, les chercheurs ont mis au point un algorithme d’apprentissage automatique avec des ondes cérébrales enregistrées chez 39 bébés prématurés, âgés de 6 à 9 mois et demi.

Cet algorithme a été capable de prédire pendant combien de semaines les organoïdes se sont développés en culture, ce qui suggère que ces organoïdes et le cerveau humain partagent une trajectoire de croissance similaire.

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Cependant, « il est peu probable que ces organites aient des activités mentales, telles que la conscience. L’organoïde est encore un modèle très rudimentaire », a expliqué Muotri. « Il se peut qu’à l’avenir, nous obtenions quelque chose qui soit vraiment proche des signaux des cerveaux humains, qui contrôlent les comportements, les pensées ou la mémoire, mais je ne pense pas que nous ayons actuellement des preuves pour affirmer que c’est déjà le cas », a déclaré Muotri.

D’autres études devront donc encore être menées. L’équipe de recherche vise justement à améliorer les organites et à les utiliser pour comprendre le fonctionnement des maladies associées à un dysfonctionnement du réseau neuronal (comme par exemple l’autisme, l’épilepsie ou encore la schizophrénie).

Source : Cell Stem Cell

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