Sont-ils toujours des rats ? des neurones humains peuvent survivre et même se développer après avoir été transplantés dans des ratons
Comprendre le cerveau est l’un des plus grands objectifs de la science moderne. Mais certaines découvertes sont plus curieuses que d’autres. Une nouvelle étude présente l’une de ces découvertes. Des chercheurs de l’université Stanford (États-Unis) rapportent que des neurones humains transplantés dans des rats nouveau-nés peuvent croître et se développer avec l’animal.
Image d’entête : image par fluorescence du cerveau d’un jeune rat dans lequel a été transplanté (zone claire) un organoïde de cellules neurales humaines. (Pașca Lab/ Stanford Medicine)
Les chercheurs indiquent que ces cellules fonctionnent parfaitement, établissent des connexions avec les cellules du cerveau des rats et interagissent avec elles, ce qui peut contribuer à façonner le comportement de l’animal. Une telle approche pourrait être utilisée pour en apprendre davantage sur le cerveau humain et les troubles qui peuvent l’affecter, explique l’équipe.
Sergiu Pașca de l’Université Stanford, l’auteur correspondant de la nouvelle étude, travaille depuis plus de dix ans avec des organoïdes neuronaux. Il s’agit de petits groupes de neurones, généralement créés à partir de cellules de peau humaine transformées en cellules souches. Ces dernières peuvent être transformées en neurones en laboratoire, ce qui offre aux chercheurs un moyen éthique de se procurer des cellules cérébrales humaines fonctionnelles à des fins d’étude.
Cela dit, il y a une limite à ce que ces organoïdes peuvent révéler. Ils ne reproduisent pas complètement et fidèlement tout ce qui se passe dans notre cerveau. Par exemple, ils ne forment pas le même réseau de connexions complexes, ne génèrent pas des signaux électriques de la même manière et ne reproduisent pas l’ensemble des structures que l’on peut observer dans un cerveau normal. Enfin, il n’est pas toujours facile de comprendre comment les changements structurels observés dans un tel organoïde en laboratoire peuvent se traduire par des comportements dans le monde réel.
Selon Pașca :
Même lorsque nous avons conservé des neurones humains pendant des centaines de jours… nous avons remarqué qu’ils n’atteignent pas la taille à laquelle un neurone humain dans un cerveau humain se développerait.
Afin de trouver une solution à ces problèmes, l’équipe a transplanté des organoïdes dans le cerveau de rats nouveau-nés. En raison de leur très jeune âge, ces animaux subissent un développement et un remaniement importants de leur cerveau au cours de leur croissance. Les chercheurs ont donc supposé que les neurones transplantés à un si jeune âge auraient les meilleures chances de s’intégrer aux circuits neuronaux des rongeurs.
Pour les transplantations, l’équipe a utilisé des organoïdes fabriqués à partir de cellules souches dérivées de la peau. Celles-ci ont d’abord été produites en laboratoire, puis transformées en couches de cellules neurales. Elles ont ensuite été repliées en structures ressemblant au cortex cérébral humain (la partie externe de notre cerveau qui gère les processus sensoriels et les fonctions cognitives supérieures).
Une fois les organoïdes terminés, ils ont été placés dans le cerveau de rats âgés de quelques jours par une incision dans leur crâne. Chaque organoïde a été transplanté dans le cortex sensoriel.
A partir de l’étude : la procédure expérimentale décrite ci-dessus et position de la transplantation des organoïdes fabriqués à partir de cellules souches dérivées de la peau humaine. (Omer Revah, et col./ Nature)
Quatre mois après l’implantation, les scanners cérébraux ont révélé que les organoïdes avaient grossi environ 9 fois plus que leur volume initial, remplissant environ un tiers d’un hémisphère cérébral. Ses cellules semblaient avoir formé des connexions avec les cellules du cerveau du rat, s’incorporant pleinement à leurs circuits neuronaux.
La taille des cellules elles-mêmes était beaucoup plus proche de celle des neurones du cerveau humain. Six mois après la fin des transplantations, ces cellules étaient environ 6 fois plus grandes que celles cultivées en laboratoire. Pașca les qualifie « d’absolument immenses », expliquant que ces cellules atteignent un niveau de maturation qui n’a pas été observé dans une boîte de Pétri en laboratoire. Elles semblent également s’activer, c’est-à-dire générer des signaux électriques, de la même manière que celles d’un cerveau humain.
Deux neurones humains identiques en théorie : l’un (à gauche) a été cultivé en continu dans une boîte en tant que partie d’une structure organoïde, et l’autre (à droite) a été transféré de la même boîte dans le cerveau d’un rat nouveau-né. Les deux neurones ont le même « âge », dans la mesure où ils ont été générés dans la boîte au même moment. (Sergiu Pasca/ Université Stanford)
Comme ces cellules sont totalement intégrées aux circuits cérébraux des rats, elles jouent probablement un rôle dans le contrôle de leur comportement. Afin de déterminer si c’était le cas, l’équipe a activé les neurones humains en utilisant l’optogénétique. L’expérience a révélé que l’activité de ces cellules peut influencer le fonctionnement du cerveau, comme en témoigne la libération de « la protéine FOS dépendante de l’activité dans plusieurs régions du cerveau impliquées dans les comportements motivés ». Une libération similaire n’a pas été observée chez les animaux témoins.
Dans l’ensemble, ces résultats montrent que les neurones humains peuvent survivre à l’intérieur du cerveau d’animaux vivants et s’y intégrer. Ils offrent également aux chercheurs un moyen d’étudier les effets comportementaux de divers traitements ou procédures dans le cerveau.
Ils offrent également une approche unique pour étudier les troubles du cerveau. Par exemple, l’équipe a créé des organoïdes à partir de patients atteints du syndrome de Timothy, une maladie génétique rare qui affecte le cerveau et le cœur. Ces neurones avaient une structure différente par rapport aux neurones sains et semblaient également fonctionner différemment. L’équipe de Pașca travaille maintenant d’arrache-pied en utilisant des rats auxquels on a implanté ces organoïdes pour tester de nouveaux traitements potentiels du syndrome.
L’étude publiée dans Nature : Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids et présentée sur le site de l’Université Stanford : Human brain cells transplanted into rat brains hold promise for neuropsychiatric research.
