L'année en biologie

Nos souvenirs sont la pierre angulaire de notre identité. Leur importance explique en grande partie ce qui rend la maladie d’Alzheimer et d’autres formes de démence si cruelles et poignantes. C'est pourquoi nous avons désespérément espéré que la science puisse trouver un remède à la maladie d'Alzheimer, et pourquoi il est si frustrant et tragique que des traitements utiles mettent du temps à émerger. Un grand enthousiasme a donc entouré l'annonce en septembre selon laquelle un nouveau médicament, le lécanemab, ralentissait la progression de la maladie lors d'essais cliniques. S'il est approuvé par la Food and Drug Administration, le lécanemab ne deviendra que le deuxième traitement contre la maladie d'Alzheimer qui neutralise la protéine bêta-amyloïde, largement considérée comme la cause de la maladie. 

Pourtant, les effets du lécanemab sont si marginaux que les chercheurs se demandent si le médicament fera réellement une différence pratique pour les patients. Le fait que le lécanemab se démarque comme un point positif montre à quel point l'histoire de la recherche sur les traitements contre la maladie d'Alzheimer a été lamentable. Parallèlement, une compréhension plus approfondie de la biologie en jeu alimente l’intérêt pour les principales théories alternatives sur les causes de la maladie.

Les spéculations sur le fonctionnement de la mémoire sont au moins aussi anciennes que Platon, qui, dans l’un de ses dialogues socratiques, évoquait « le don de la Mémoire, la mère des Muses », et comparait son fonctionnement à un tampon de cire dans l’âme. Nous pouvons être reconnaissants que la science ait considérablement amélioré notre compréhension de la mémoire depuis l'époque de Platon – fini les tampons de cire, place aux « engrammes » des changements dans nos neurones. Au cours de la dernière année seulement, les chercheurs ont fait des progrès passionnants pour apprendre comment et où résident différents aspects de nos souvenirs dans le cerveau. Plus surprenant encore, ils ont même découvert des mécanismes biochimiques permettant de distinguer les bons souvenirs des mauvais.

Parce que nous sommes des créatures dotées d’un cerveau, nous pensons souvent à la mémoire en termes purement neurologiques. Pourtant, des travaux publiés début 2022 par des chercheurs du California Institute of Technology suggèrent que même les cellules individuelles des tissus en développement peuvent contenir des traces de l'histoire de leur lignée. Ces cellules souches semblent s’appuyer sur ces informations stockées lorsqu’elles sont confrontées à des décisions sur la manière de se spécialiser en réponse à des signaux chimiques. Les progrès de la biologie au cours de l’année écoulée ont également révélé de nombreuses autres surprises, notamment des informations sur la manière dont le cerveau s’adapte à une insuffisance alimentaire prolongée et sur la façon dont les cellules migrantes suivent leur chemin à travers le corps. Cela vaut la peine de revenir sur certains des meilleurs de ce travail avant que les révélations de l’année à venir nous donnent à nouveau une nouvelle perspective sur nous-mêmes.

De nombreuses personnes liées à la maladie d'Alzheimer, soit par la recherche, soit par des liens personnels avec les patients, espéraient que 2022 serait une année record. Des essais cliniques majeurs révéleraient enfin si deux nouveaux médicaments s’attaquant à la cause profonde perçue de la maladie étaient efficaces. Les résultats n'ont malheureusement pas été à la hauteur des attentes. L'un des médicaments, le lécanemab, s'est montré potentiel pour ralentir légèrement le déclin cognitif de certains patients, mais était également associé à des effets secondaires parfois mortels ; l’autre, le ganténerumab, a été considéré comme un échec total. 

Ces résultats décevants couronnent trois décennies de recherche largement basées sur la théorie selon laquelle la maladie d'Alzheimer est causée par des plaques de protéines amyloïdes qui s'accumulent entre les cellules du cerveau et les tuent. De plus en plus de preuves suggèrent cependant que l'amyloïde n'est qu'un composant d'un processus pathologique beaucoup plus complexe cela implique une inflammation dommageable et des dysfonctionnements dans la façon dont les cellules recyclent leurs protéines. La plupart de ces idées existent depuis aussi longtemps que l’hypothèse amyloïde, mais commencent tout juste à recevoir l’attention qu’elles méritent.

En fait, les agrégats de protéines autour des cellules commencent à ressembler à un phénomène presque universel dans les tissus vieillissants et non dans une condition particulière à l'amyloïde et à la maladie d'Alzheimer, selon les travaux de chercheurs de l'Université de Stanford annoncés dans une prépublication au printemps dernier. Cette observation pourrait être une preuve supplémentaire que l’aggravation des problèmes de gestion des protéines pourrait être une conséquence courante du vieillissement des cellules.

Les neuroscientifiques ont depuis longtemps compris beaucoup de choses sur la façon dont les souvenirs se forment – ​​en principe. Ils savent que lorsque le cerveau perçoit, ressent et pense, l'activité neuronale qui donne lieu à ces expériences renforce les connexions synaptiques entre les neurones impliqués. Ces changements durables dans nos circuits neuronaux deviennent les enregistrements physiques de nos souvenirs, permettant de réévoquer les schémas électriques de nos expériences lorsque cela est nécessaire. Les détails exacts de ce processus restent néanmoins énigmatiques. Au début de cette année, cela a changé lorsque des chercheurs de l'Université de Californie du Sud ont décrit une technique pour visualiser ces changements comme ils se produisent dans un cerveau vivant, qu'ils ont utilisé pour observer un poisson apprendre à associer une chaleur désagréable à un signal lumineux. À leur grande surprise, même si ce processus renforçait certaines synapses, il en supprimait d’autres. 

Le contenu informationnel d’une mémoire ne représente qu’une partie de ce que le cerveau stocke. Les souvenirs sont également codés avec une « valence » émotionnelle qui les classe comme une expérience positive ou négative. L'été dernier, des chercheurs ont rapporté que les niveaux d'une seule molécule libérée par les neurones, appelée neurotensine, semblent agir comme des indicateurs de cet étiquetage. 

La vie sur Terre a commencé avec l’apparition des cellules il y a environ 3.8 milliards d’années. Mais paradoxalement, avant l’existence des cellules, il devait y avoir des ensembles de molécules accomplissant des choses étonnamment réalistes. Au cours de la dernière décennie, des chercheurs japonais ont mené des expériences avec des molécules d’ARN pour savoir si un seul type de molécule réplicatrice pouvait évoluer en une multitude de réplicateurs différents, comme l’ont théorisé les chercheurs sur l’origine de la vie, cela devait se produire dans la nature. Les scientifiques japonais ont découvert que cette diversification s'était effectivement produite, diverses molécules coévoluant en hôtes et parasites concurrents dont la dominance augmentait et diminuait. En mars dernier, les scientifiques ont signalé un nouveau développement : les diverses molécules avaient commencé à travailler ensemble dans un écosystème plus stable. Leurs travaux suggèrent que les ARN et d’autres molécules du monde prébiotique auraient également pu co-évoluer pour jeter les bases de la vie cellulaire.

L’auto-réplication est souvent considérée comme la première étape essentielle de toute hypothèse sur l’origine de la vie, mais ce n’est pas obligatoire. Cette année, Nick Lane et d'autres biologistes évolutionnistes ont continué à trouver des preuves qu'avant l'existence des cellules, systèmes de « proto-métabolisme » impliquant des ensembles complexes de réactions énergétiques pourraient avoir eu lieu dans les matériaux poreux à proximité des sources hydrothermales.

Comment un seul ovule fécondé se transforme-t-il en un corps humain adulte contenant plus de 30 200 milliards de cellules réparties dans plus de XNUMX catégories spécialisées ? C'est le mystère par excellence du développement. Pendant une grande partie du siècle dernier, l'explication prédominante a été que les gradients chimiques établis dans diverses parties du corps en développement guident les cellules là où elles sont nécessaires et leur indiquent comment se différencier en constituants de la peau, des muscles, des os, du cerveau et d'autres éléments. organes. 

Mais les produits chimiques semblent désormais ne représenter qu’une partie de la réponse. Des travaux récents suggèrent que même si les cellules utilisent des indices de gradient chimique pour guider leur navigation, elles suivent également modèles de tension physique dans les tissus qui les entourent, comme des funambules traversant un câble tendu. La tension physique fait plus que dire aux cellules où aller. D'autres travaux rapportés en mai ont montré que les forces mécaniques à l'intérieur d'un embryon contribuent également à inciter des ensembles de cellules à se développer. devenir des structures spécifiques, comme des plumes au lieu de la peau.

Pendant ce temps, les biologistes synthétiques – des chercheurs qui adoptent une approche technique de l’étude de la vie – ont réalisé d’importants progrès dans la compréhension des types d’algorithmes génétiques qui contrôlent la façon dont les cellules se différencient en réponse à des signaux chimiques. Une équipe de Caltech a démontré un réseau artificiel de gènes qui pourrait transformer de manière stable les cellules souches en un certain nombre de types de cellules plus spécialisés. Ils n’ont pas identifié le système de contrôle génétique naturel des cellules, mais le succès de leur modèle prouve que quel que soit le système réel, il n’a probablement pas besoin d’être beaucoup plus compliqué.

Le cerveau est l'organe du corps le plus gourmand en énergie. Il n'est donc peut-être pas surprenant que l'évolution ait conçu une stratégie d'urgence pour aider le cerveau à faire face à de longues périodes de carence alimentaire. Des chercheurs de l'Université d'Édimbourg ont découvert que lorsque les souris doivent survivre avec des rations courtes pendant des semaines, leur cerveau se met à fonctionner de manière équivalente à un mode « faible consommation ». 

Dans cet état, les neurones du cortex visuel utilisent près de 30 % d’énergie en moins au niveau de leurs synapses. D'un point de vue technique, c'est une solution intéressante pour optimiser les ressources énergétiques du cerveau, mais il y a un piège. En effet, le mode basse consommation réduit la résolution de la vision de l'animal en rendant le système visuel moins précis dans le traitement des signaux. 

Une vision technique du cerveau a également récemment amélioré notre compréhension d’un autre système sensoriel : notre odorat. Les chercheurs ont tenté d’améliorer la capacité des « nez artificiels » informatisés à reconnaître les odeurs. Les structures chimiques à elles seules contribuent grandement à définir les odeurs que nous associons à diverses molécules. Mais de nouveaux travaux suggèrent que processus métaboliques qui créent des molécules dans la nature reflètent également notre sens de l'odeur des molécules. Les réseaux neuronaux qui incluaient des informations métaboliques dans leurs analyses se sont considérablement rapprochés de la classification des odeurs comme le font les humains.

Un cerveau humain vivant reste une chose extrêmement difficile à étudier pour les neuroscientifiques : le crâne obstrue leur vision et des considérations éthiques excluent de nombreuses expériences potentiellement informatives. C'est pourquoi les chercheurs ont commencé à cultiver des tissus cérébraux isolés en laboratoire et à les laisser former des « organoïdes » présentant des similitudes physiques et électriques avec les cerveaux réels. Cette année, le neuroscientifique Sergiu Paşca et ses collègues ont montré jusqu'où vont ces similitudes en implantant organoïdes du cerveau humain chez des rats de laboratoire nouveau-nés. Les cellules humaines se sont intégrées dans les circuits neuronaux de l'animal et ont joué un rôle dans son odorat. De plus, les neurones transplantés semblaient en meilleure santé que ceux poussant dans des organoïdes isolés, ce qui suggère, comme l'a noté Paşca dans une interview avec Quanta, l’importance de fournir aux neurones des entrées et des sorties. Ces travaux ouvrent la voie au développement futur de meilleurs modèles expérimentaux pour le cerveau humain.