Une cellule unique bâtit le cerveau humain de 170 milliards de cellules
Un cerveau humain débute comme une cellule unique. Avec le temps, cette cellule donne naissance à un organe extraordinairement complexe contenant environ 170 milliards de cellules. L’une des plus grandes questions en neurosciences développementales est de comprendre comment toutes ces cellules trouvent leur place pour former un cerveau fonctionnel.
Des chercheurs du Cold Spring Harbor Laboratory estiment que la réponse pourrait être étonnamment simple. Leur nouvelle recherche offre des aperçus sur la manière dont le cerveau s’organise durant son développement, et pourrait influencer des domaines allant de la biologie à l’intelligence artificielle.
Comment les cellules cérébrales déterminent leur identité
Stan Kerstjens, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du professeur Anthony Zador, explique le défi en termes d’information positionnelle. Selon lui, « la seule chose qu’une cellule ‘voit’ est elle-même et ses voisines ». Son destin dépend de sa position. Une cellule mal placée devient une mauvaise cellule, et le cerveau ne se développe pas correctement. Chaque cellule doit donc résoudre deux questions : « Où suis-je ? Et qui dois-je devenir ? »
Dans une étude publiée dans la revue Neuron, Kerstjens, Zador et des collaborateurs de l’Université Harvard et de l’ETH Zurich proposent une nouvelle théorie décrivant comment le cerveau en développement atteint ce niveau remarquable d’organisation.
Au-delà des signaux chimiques
Pendant des décennies, les scientifiques ont largement cru que les cellules communiquaient des informations positionnelles par le biais de signaux chimiques. Cette explication fonctionne bien dans des systèmes relativement petits avec un nombre limité de cellules. Cependant, le cerveau en développement contient des milliards de neurones qui doivent chacun arriver à la bonne localisation. Les signaux chimiques s’affaiblissant avec la distance, les chercheurs se sont longtemps interrogés sur la manière dont les cellules situées en profondeur dans un cerveau en croissance peuvent déterminer avec précision leur position.
Kerstjens suggère qu’une partie de la réponse pourrait provenir d’un processus semblable à la manière dont les populations humaines se répandent au fil des générations. « Considérez comment les populations humaines se répandent à travers un pays au fil des générations », dit-il. « Les descendants se installent près de leurs parents, de sorte que les personnes partageant une ascendance finissent par se retrouver dans des régions voisines, produisant de grandes structures géographiques sans communication à longue distance. Nous soutenons qu’un principe similaire opère dans le cerveau en développement. Les cellules qui descendent du même précurseur tendent à rester proches les unes des autres. »
Tester un modèle basé sur la lignée
Pour explorer cette idée, les chercheurs ont développé ce qu’ils décrivent comme un « modèle basé sur la lignée d’information positionnelle évolutive ». Ils ont d’abord utilisé des calculs théoriques pour vérifier si le concept pouvait fonctionner. Ensuite, ils ont examiné les motifs d’expression génétique dans les cerveaux de souris en développement, en analysant à la fois des cellules individuelles et de plus grands groupes cellulaires. Enfin, ils ont testé le modèle chez des poissons-zèbres et trouvé des résultats similaires, suggérant que le mécanisme pourrait fonctionner dans des cerveaux de différentes tailles.
Les résultats indiquent que les signaux chimiques et la lignée cellulaire pourraient travailler ensemble pour fournir des informations positionnelles durant le développement.
Implications pour la biologie et l’intelligence artificielle
Bien que la recherche se concentre sur le cerveau, Kerstjens indique que le principe sous-jacent pourrait s’appliquer à de nombreux autres tissus en développement, y compris les tumeurs. La théorie pourrait également avoir une pertinence pour les futurs systèmes d’IA auto-réplicants. Tout comme les cellules cérébrales peuvent hériter d’informations à travers les générations, les futurs modèles d’IA qui transmettent des informations d’une génération à l’autre pourraient potentiellement s’appuyer sur des principes organisationnels similaires.
Une des implications les plus significatives de ce travail est ce qu’il pourrait révéler sur l’intelligence elle-même. Comprendre comment une cellule unique se développe en un cerveau hautement organisé pourrait aider les scientifiques à répondre à certaines des questions les plus profondes concernant l’esprit. « Le cerveau nous rend d’une certaine manière intelligents », conclut Kerstjens. « Comment a-t-il réussi à accumuler cette capacité, non seulement au cours de son temps de développement, mais aussi au cours du temps évolutif ? C’est une pièce dans ce grand puzzle. »
Source : Neuron
