Notre compréhension du fonctionnement interne du cerveau humain a longtemps été freinée par la difficulté pratique et éthique d'observer les neurones humains se développer, se connecter et interagir. Aujourd'hui dans une nouvelle étude publié dans Nature, des neuroscientifiques de l'Université de Stanford dirigés par Sergiu Pasca rapportent qu'ils ont trouvé une nouvelle façon d'étudier les neurones humains - en transplantant des tissus ressemblant à du cerveau humain chez des rats qui n'ont que quelques jours, alors que leur cerveau n'est pas encore complètement formé. Les chercheurs montrent que les neurones humains et d'autres cellules cérébrales peuvent se développer et s'intégrer dans le cerveau du rat, faisant partie du circuit neuronal fonctionnel qui traite les sensations et contrôle les aspects des comportements.
En utilisant cette technique, les scientifiques devraient être en mesure de créer de nouveaux modèles vivants pour un large éventail de troubles neurodéveloppementaux, y compris au moins certaines formes de troubles du spectre autistique. Les modèles seraient tout aussi pratiques pour les études de laboratoire neuroscientifiques que les modèles animaux actuels, mais seraient de meilleurs remplaçants pour les troubles humains car ils seraient constitués de vraies cellules humaines dans des circuits neuronaux fonctionnels. Ils pourraient être des cibles idéales pour les outils de neurosciences modernes qui sont trop invasifs pour être utilisés dans de vrais cerveaux humains.
« Cette approche est une avancée pour le domaine et offre une nouvelle façon de comprendre les troubles du fonctionnement neuronal," m'a dit Madeleine Lancaster, neuroscientifique au Laboratoire de biologie moléculaire du MRC à Cambridge, au Royaume-Uni, qui n'a pas participé aux travaux.
Le travail marque également un nouveau chapitre passionnant dans l'utilisation des organoïdes neuronaux. Il y a près de 15 ans, des biologistes ont découvert que les cellules souches humaines pouvaient s'auto-organiser et se développer en petites sphères contenant différents types de cellules et ressemblant à du tissu cérébral. Ces organoïdes ont ouvert une nouvelle fenêtre sur les activités des cellules cérébrales, mais cette vision a ses limites. Alors que les neurones d'un plat peuvent se connecter les uns aux autres et communiquer électriquement, ils ne peuvent pas former de circuits véritablement fonctionnels ou atteindre la pleine croissance et les prouesses informatiques des neurones sains dans leur habitat naturel, le cerveau.
Travail de pionnier par divers groupes de recherche ont prouvé il y a des années que des organoïdes cérébraux humains pouvaient être insérés dans le cerveau de rats adultes et y survivre. Mais la nouvelle étude montre pour la première fois que le cerveau en plein essor d'un rat nouveau-né acceptera les neurones humains et leur permettra de mûrir, tout en les intégrant dans des circuits locaux capables de piloter le comportement du rat.
Paşca a souligné qu'il y avait "mille raisons de croire que cela ne fonctionnerait pas", étant donné les différences drastiques dans la manière et le moment où les systèmes nerveux des deux espèces se développent. Et pourtant, cela a fonctionné, les cellules humaines trouvant les indices dont elles avaient besoin pour établir des connexions essentielles.
"Il s'agit d'une étude très nécessaire et élégante qui oriente le domaine dans la bonne direction en recherchant des approches pour faire progresser la pertinence physiologique des organoïdes du cerveau humain pour modéliser les étapes ultérieures du développement du cerveau humain", a déclaré Giorgia Quadrato, neuroscientifique à l'Université de Californie du Sud.
Comprendre les processus cellulaires et moléculaires qui se dérèglent dans les neurones et conduisent à des troubles cérébraux a toujours été la motivation de Paşca. [Note de l'éditeur : Voir le entretien d'accompagnement avec Paşca sur sa vie, sa carrière et ses motivations pour son travail.] Parce que de nombreux troubles psychiatriques et neurologiques prennent racine dans le cerveau au cours du développement - même si les symptômes peuvent n'apparaître que des années plus tard - observer comment les neurones se développent semble être le meilleur moyen de combler les vides de notre compréhension. C'est pourquoi l'objectif de Paşca est de transplanter des organoïdes du cerveau humain dans des rats nouveau-nés depuis qu'il a commencé à travailler avec des neurones dans une boîte il y a 13 ans.
Dans le nouveau travail - qui était également dirigé par les collègues de Stanford de Paşca Felicity Goré, Kevin Kelley et Omer Revah (maintenant à l'Université hébraïque de Jérusalem) - l'équipe a inséré des organoïdes corticaux du cerveau humain dans le cortex somatosensoriel de très jeunes ratons, avant que les circuits cérébraux des ratons ne soient complètement établis. Cela a donné aux neurones humains une chance de recevoir des connexions à longue portée à partir d'une région clé qui traite les informations sensorielles entrantes. Ensuite, les chercheurs ont attendu de voir si l'organoïde se développerait de concert avec le reste du cerveau en développement du rat.
"Nous avons découvert que si nous insérons l'organoïde à ce stade précoce … il grossit jusqu'à neuf fois plus qu'il ne l'était initialement sur une période de quatre ou cinq mois", a déclaré Paşca. Cela s'est traduit par une zone de tissu cérébral de type humain qui couvrait environ un tiers de l'un des hémisphères cérébraux du rat.
Mais même si les neurones humains sont restés ensemble dans la zone corticale où ils ont été placés chirurgicalement, les chercheurs ont démontré qu'ils devenaient des parties actives des circuits neuronaux enfilés profondément dans le cerveau du rat. La plupart des neurones humains transplantés ont commencé à réagir aux sensations tactiles des moustaches du rat : lorsque des bouffées d'air étaient dirigées vers les moustaches, les neurones humains devenaient plus actifs électriquement.
Plus surprenant encore, le flux de signaux neuronaux pourrait également circuler dans l'autre sens et influencer le comportement. Lorsque les neurones humains ont été stimulés avec de la lumière bleue (grâce à une technique appelée optogénétique), cela a déclenché un comportement conditionné chez les rats qui les a poussés à rechercher une récompense en léchant plus souvent une bouteille d'eau.
"Cela signifie que nous avons en fait intégré des cellules humaines dans les circuits", a déclaré Paşca. « Cela ne change pas les circuits. … C'est juste que les cellules humaines en font désormais partie.
Les cellules transplantées n'imitaient pas parfaitement le tissu cérébral humain dans leur nouvel environnement. Par exemple, ils ne se sont pas organisés dans la même structure multicouche que celle observée dans le cortex humain. (Ils n'ont pas non plus suivi l'exemple des neurones de rat environnants et formé les colonnes en forme de tonneau caractéristiques du cortex somatosensoriel du rat.) Mais les neurones transplantés individuels ont conservé bon nombre des propriétés électriques et structurelles humaines normales.
Les cellules ont profité d'un avantage majeur d'être à l'intérieur d'un cerveau : elles se sont reliées avec succès au système vasculaire du cerveau du rat, permettant aux vaisseaux sanguins de pénétrer dans les tissus pour fournir de l'oxygène et des hormones. On pense que le manque d'approvisionnement en sang est l'une des principales raisons pour lesquelles les neurones humains qui poussent dans un plat ne parviennent pas à mûrir complètement, ainsi qu'un manque d'entrées de signaux neuronaux qui sont probablement nécessaires pour façonner le développement, a expliqué Paşca. Lorsque son équipe a comparé les neurones humains transplantés à ceux vivant dans une boîte, ils ont découvert que les neurones transplantés étaient six fois plus gros, avec une taille et un profil d'activité électrique plus proches de ceux des neurones du tissu cérébral humain naturel.
"Il y a quelque chose dans l'environnement in vivo - donc les nutriments et les signaux électriques qu'ils reçoivent dans le cerveau - qui amène les cellules humaines à un autre niveau de maturation", a déclaré Paşca.
Parce que les neurones humains ont tellement mûri dans le cerveau des rats, Paşca et ses collègues ont pu voir des différences inhabituelles dans le développement d'organoïdes cérébraux dérivés de personnes atteintes d'une maladie génétique appelée syndrome de Timothy, qui provoque souvent l'autisme et l'épilepsie. Dans le cerveau des rats, les neurones humains transplantés porteurs des gènes du syndrome de Timothy ont développé des branches dendritiques anormales qui ont établi des connexions inhabituelles. Fondamentalement, certains de ces développements atypiques ne pouvaient être observés que dans les neurones humains se développant dans le cortex du rat, et non dans les neurones organoïdes dans une boîte.
Paşca souligne que jusqu'à présent, ces types de changements subtils dans les neurones en maturation qui affectent la fonction cérébrale et conduisent à des troubles neurologiques et psychiatriques nous ont été largement cachés.
"Les résultats sont très excitants", a déclaré Bennett Novitch, neuroscientifique et biologiste des cellules souches à l'Université de Californie à Los Angeles. Les études in vitro des tissus neuronaux seront encore plus rapides et plus pratiques pour de nombreux types d'études neurologiques et de tests de dépistage de drogues, a-t-il noté, mais le nouvel article "illustre comment révéler les caractéristiques matures des neurones humains... est encore mieux réalisé dans le cadre in vivo". .”
Paşca espère que la possibilité d'étudier des neurones humains matures chez des rats rapprochera enfin les traitements des troubles psychiatriques et des affections neurologiques. D'autres dans le domaine ont aussi de l'espoir. "Si cette stratégie de transplantation d'organoïdes peut vraiment imiter les signatures de la maladie, cela pourrait vraiment accélérer notre voie vers des remèdes", a déclaré Joël Blanchard, neuroscientifique à l'école de médecine Icahn du mont Sinaï.
La nature du nouveau travail peut soulever des questions sur le bien-être et le traitement éthique des rats. Pour cette raison, Paşca et ses collègues ont eu des discussions actives avec des éthiciens depuis le début. Comme dans toutes les expériences impliquant des animaux, la loi exigeait que les rats soient étroitement surveillés par des techniciens de laboratoire ayant le pouvoir d'arrêter l'expérience à tout moment. Mais aucune différence n'a été trouvée chez les rats avec des organoïdes cérébraux humains transplantés dans une série de tests comportementaux et cognitifs.
Inso Hyun, un bioéthicien affilié au Center for Bioethics de la Harvard Medical School, a déclaré qu'il n'avait aucune préoccupation éthique concernant les expériences en cours. L'équipe de Paşca a suivi toutes les directives élaborées par la Société internationale de recherche sur les cellules souches régissant la recherche sur les organoïdes du cerveau humain et le transfert de cellules humaines chez les animaux. "Pour moi, la question est vraiment de comprendre : où allez-vous à partir de là ?" il a dit.
Hyun est plus préoccupé par d'autres équipes de recherche qui pourraient maintenant s'intéresser à la transplantation d'organoïdes du cerveau humain dans des espèces plus similaires à la nôtre, comme les primates non humains. "Vous devriez avoir une conversation très intense au niveau de la surveillance pour savoir pourquoi vous êtes justifié d'aller à quelque chose de plus complexe", a déclaré Hyun.
Paşca dit que lui et ses collègues ne s'intéressent pas à de telles expériences qui repoussent les limites. Il pense également que la difficulté de cultiver et de maintenir des organoïdes pour la transplantation freinera la plupart des recherches potentiellement imprudentes. "Il y a peu d'endroits avec l'infrastructure et l'expertise nécessaires pour le faire", a-t-il déclaré.
Les défis scientifiques les plus immédiats et pratiques résident dans l'amélioration des organoïdes du cerveau humain qui sont transplantés chez les rats. Incontestablement, il reste encore un long chemin à parcourir. Le tissu cérébral humain manque actuellement de nombreuses cellules cérébrales importantes au-delà des neurones, comme la microglie et les astrocytes, ainsi que des neurones impliqués dans l'inhibition de l'activité d'autres neurones. L'équipe de Paşca travaille actuellement sur des expériences qui transplanteront des « assembloïdes » - des ensembles d'organoïdes représentant différentes régions du cerveau dont les cellules migrent et interagissent les unes avec les autres.
Il peut y avoir des limites à la mesure dans laquelle les découvertes des neurones humains dans un cerveau de rat peuvent s'appliquer à un cerveau humain naturel. Les rats utilisés dans ces études de transplantation naissent avec un système immunitaire défaillant, dû à une mutation génétique. Cela les rend bien adaptés aux greffes, car leur système immunitaire est moins susceptible de rejeter les cellules humaines implantées. Mais cela signifie également que les études sur les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer qui sont connues pour avoir des composants immunitaires peuvent être plus difficiles. Et peu importe à quel point les organoïdes cérébraux humains transplantés sont réalistes, tant qu'ils sont dans un cerveau de rat, ils seront exposés au sang de rat, avec son profil unique de nutriments et d'hormones, plutôt qu'au sang humain. Les neuroscientifiques pourraient donc étudier des systèmes quelque peu en deçà de la réalité dans le crâne humain.
Mais pour Paşca, ce nouveau système offre l'opportunité de se rapprocher plus que jamais de la réalité sur la façon dont les processus neurobiologiques modifiés provoquent des troubles neurologiques et psychiatriques. La transplantation d'organoïdes chez des rats nouveau-nés offre enfin un moyen d'utiliser toute la puissance des outils modernes de neurosciences dans la recherche sur le développement des neurones et des circuits humains.
"Les problèmes difficiles, tels que la compréhension des troubles psychiatriques qui sont des conditions humaines uniques, nécessiteront des approches audacieuses", a déclaré Paşca.
