Les restes d’un cerveau humain vieux de 2000 ans retrouvés intacts !

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| P. Petrone et al.

Le cerveau d’un jeune homme victime de l’éruption du Vésuve de l’an 79 a été retrouvé parmi les vestiges d’Herculanum, en Italie. Les structures neuronales, exceptionnellement bien conservées, apportent des informations pertinentes et inédites sur la composition d’un antique système nerveux central, mais aussi sur le déroulement des événements liés à l’éruption du volcan.

L’événement de l’an 79 est sans doute l’une des plus célèbres éruptions du Vésuve (qui en a connu plusieurs dizaines, la dernière en date ayant eu lieu en 1944). Particulièrement violente, cette éruption explosive a conduit à la destruction des villes de Pompéi, Herculanum, Oplontis et Stabies, qui ont été très rapidement ensevelies sous les cendres et les coulées pyroclastiques. La victime dont les échantillons ont été examinés était un homme d’une vingtaine d’années, dont les restes ont été découverts dans les années 1960.

Des structures typiques de la substance blanche

La détection de l’ultrastructure du tissu cérébral dans les vestiges archéologiques humains est un événement rare ; dans certaines conditions empêchant la décomposition des tissus mous, les restes cérébraux anciens sont généralement saponifiés, donc non exploitables. Or, l’observation de ces cellules peut offrir des informations uniques sur la structure de l’antique système nerveux central.

Au cours de récentes recherches sur le site archéologique d’Herculanum, une équipe de chercheurs italiens a découvert un matériau vitreux dans la cavité crânienne d’une victime du Vésuve. La vitrification est un processus naturel qui se produit lorsqu’un liquide descend sous sa température de transition vitreuse — un état de transition entre la forme « dure » et la forme « fondue » d’un matériau amorphe ; celle-ci dépend de la vitesse de refroidissement et de la viscosité du liquide concerné.

Via l’analyse protéomique et une spectrométrie de masse de cette matière, ils ont pu identifier plusieurs protéines d’origine cérébrale humaine, ainsi que des acides gras issus de la graisse capillaire humaine, confirmant qu’il s’agissait bel et bien de tissu cérébral humain vitrifié, parfaitement conservé.

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Restes d’une victime de l’éruption du Vésuve de l’an 79. La partie postérieure du crâne (l’os occipital et une partie des pariétaux) avait complètement explosé, laissant la partie interne visible. A) Fragment cérébral vitrifié prélevé sur la partie interne du crâne ; B) Fragment de moelle épinière vitrifié de la colonne vertébrale. Crédits : P. Petrone et al.

En utilisant la microscopie électronique à balayage et des outils de traitement d’image avancés, ils ont analysé en détail ces vestiges neuronaux. C’est la première fois que des spécialistes se livrent ainsi à l’observation haute résolution de neurones aussi anciens ! Le parfait état de conservation de ces structures est dû au processus naturel de vitrification qui a eu lieu à Herculanum. Le phénomène résulte d’une exposition soudaine à des cendres volcaniques brûlantes (avoisinant les 500°C) et de la chute rapide concomitante de la température ; la structure cellulaire du système nerveux central a été littéralement figée.

Ce tissu vitrifié est constitué de plusieurs caractéristiques ultrastructurales typiques du système nerveux central humain ; les spécialistes ont identifié notamment un système de structures tubulaires de type axones, traversant la matrice cérébrale. Les structures observées sont de forme allongée et ronde ; le diamètre moyen varie entre 550 et 830 nm, des valeurs qui correspondent aux dimensions habituelles des axones de la substance blanche. Ces structures tubulaires ont, en outre, un diamètre plus petit que les vaisseaux sanguins du système cérébrovasculaire.

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Structures du système nerveux central observées par microscopie électronique à balayage. A) Image des axones du cerveau. B) Image d’axones de la moelle épinière (en vert) interceptant des corps cellulaires et des structures en forme de gaine (en jaune et orange). Crédits : P. Petrone et al.

Dans le résidu vitreux de la moelle épinière, les chercheurs ont par ailleurs constaté la préservation d’un certain nombre de corps cellulaires interconnectés par un réticulum de structures tubulaires, dont la morphologie et la taille sont analogues à celles des neurones. Ces corps cellulaires de forme ronde, de taille moyenne (comprise entre 2,7 à 14,2 μm), comportent une membrane et une lumière intracellulaire remplie de structures filamenteuses et de nanovésicules. En classant ces corps cellulaires selon leur diamètre, les chercheurs ont à nouveau remarqué que les valeurs correspondaient bien à des axones de substance blanche.

En outre, grâce à un outil de traitement d’image spécifique, basé sur un processus de réseau neuronal développé sur la plateforme Matlab, les experts ont constaté que les axones libres identifiés dans le tissu cérébral vitrifié étaient recouverts d’un empilement de couches membranaires typiques de la myéline ; le motif observé était le même que celui observé in vivo dans la myéline du système nerveux central des mammifères.

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Des conditions propices à la vitrification

Outre l’identification de composants structurels typiques du système nerveux central, Petrone et son équipe ont pu isoler, à partir du tissu cérébral vitrifié, des protéines codées par des gènes exprimés dans différentes régions du cerveau humain ; un constat qui confirme l’origine neuronale de cette découverte archéologique hors du commun. Beaucoup de ces gènes sont d’une grande importance pour les fonctions neuronales, car leurs mutations ont été identifiées chez des personnes atteintes de pathologies cérébrales.

En particulier, la découverte du gène KIF26B — un gène exprimé principalement dans le cervelet et dont les mutations ont été détectées chez des patients atteints d’hypoplasie pontocérébelleuse — impliqué dans la stabilisation et l’organisation des microtubules cytoplasmiques, concorde avec les structures tubulaires identifiées à l’intérieur de la matrice cytoplasmique des corps cellulaires détectés dans le tissu vitrifié. De même, la découverte du gène ATP6V1F, exprimé notamment dans le cortex et le cervelet, indispensable à la transmission synaptique (il régule la concentration des neurotransmetteurs dans les vésicules synaptiques), constitue un indice supplémentaire en faveur de la découverte de cellules neuronales humaines.

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L’éruption du Vésuve de 79 a recouvert Herculanum d’une couche de cendres volcaniques et de lave de vingt mètres d’épaisseur, qui s’est ensuite transformée en pierre, figeant dans le temps — et préservant à un degré de conservation extraordinaire — toute la ville et ses habitants. La découverte et l’étude de tissus neuronaux vitrifiés est unique et apporte des indications précieuses sur les conditions environnementales spécifiques qui ont permis la vitrification du cerveau humain et d’autres tissus neuronaux. « Les données et informations que nous obtenons nous permettront de clarifier d’autres aspects plus récents de ce qui s’est passé il y a 2000 ans lors de la plus célèbre éruption du Vésuve », a déclaré Petrone.

Selon le scientifique, cette découverte pourrait même sauver des vies ! La préservation de la matière cérébrale implique que le cerveau n’a pas été détruit lors de l’exposition aux flux pyroclastiques ardents ; il a, au contraire, eu le temps de subir un refroidissement rapide, qui a abouti à sa transformation en verre, avant d’être enterré sous des mètres de débris volcaniques. Par conséquent, plusieurs intervalles de temps ont dû se produire pendant l’écoulement pyroclastique qui a progressivement enterré la ville d’Herculanum, comme de récentes recherches sur le site archéologique de Pompéi l’ont également suggéré. Cette information peut permettre à la protection civile de s’organiser en conséquence s’il devait y avoir une nouvelle éruption.

Source : PLOS One, P. Petrone et al.

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