Diverses hypothèses sur la façon dont le cerveau se plie ont été proposées, mais aucune n’a été utilisée directement pour faire des prédictions vérifiables. Aujourd’hui, un groupe de scientifiques dirigé par L. Mahadevan, chercheur à l’université de Harvard, a montré que si de nombreux processus moléculaires sont importants pour déterminer les événements cellulaires, ce qui provoque finalement le pliage du cerveau est une instabilité mécanique associée au flambage.
Modèle de gel d’un cerveau fœtal après avoir été immergé dans un solvant liquide, la compression résultante a conduit à la formation de plis similaires en taille et en forme à de vrais cerveaux. Crédit image : Tuomas Tallinen et al.
La croissance rapide du cortex humain au cours du développement s’accompagne du pliage du cerveau en une structure très alambiquée.
Plusieurs études antérieures se sont concentrées sur “la régulation génétique et cellulaire de la croissance corticale, mais la compréhension de la formation des circonvolutions gyrales et sulculaires nécessite également la prise en compte de la géométrie et du façonnage physique du cerveau en croissance.”
Pour étudier cela, le professeur Mahadevan et ses collègues des États-Unis, de France et de Finlande ont fabriqué un modèle de gel 3D d’un cerveau fœtal lisse à partir d’images IRM.
“Nous avons découvert que nous pouvions imiter le pliage cortical en utilisant un principe physique très simple et obtenir des résultats qualitativement similaires à ce que nous voyons dans les vrais cerveaux fœtaux”, a expliqué le Pr Mahadevan, auteur principal d’un article publié lundi dans le journal. Nature Physics.
La surface du modèle de l’équipe a été recouverte d’une fine couche de gel élastomère, comme un analogue du cortex.
Pour imiter l’expansion corticale, le cerveau en gel a été immergé dans un solvant qui est absorbé par la couche extérieure, ce qui la fait gonfler par rapport aux régions plus profondes.
Quelques minutes après l’immersion dans le solvant liquide, la compression résultante a conduit à la formation de plis similaires en taille et en forme aux cerveaux réels. L’étendue des similitudes a surpris même les scientifiques.
“Lorsque j’ai mis le modèle dans le solvant, je savais qu’il devrait y avoir des plis, mais je ne m’attendais pas à ce que le modèle soit aussi proche du cerveau humain. Il ressemble à un vrai cerveau”, a déclaré le Dr Jun Young Chung, co-auteur, également de l’Université de Harvard.
La clé de ces similitudes réside dans la forme unique du cerveau humain.
“La géométrie du cerveau est vraiment importante car elle sert à orienter les plis dans certaines directions. Notre modèle, qui présente la même géométrie à grande échelle et la même courbure qu’un cerveau humain, conduit à la formation de plis qui correspondent assez bien à ceux observés dans les vrais cerveaux fœtaux”, a déclaré le Dr Chung.
Les plus grands plis observés dans le modèle de cerveau en gel sont similaires en termes de forme, de taille et d’orientation à ceux observés dans le cerveau fœtal, et peuvent être reproduits dans de multiples expériences sur gel.
Les plus petits plis ne sont pas conservés, reflétant des variations similaires dans les cerveaux humains.
“Les cerveaux ne sont pas exactement les mêmes d’un humain à l’autre, mais nous devrions tous avoir les mêmes plis principaux pour être en bonne santé”, a déclaré le Dr Chung.
“Nos recherches montrent que si une partie du cerveau ne se développe pas correctement, ou si la géométrie globale est perturbée, nous pouvons ne pas avoir les plis majeurs au bon endroit, ce qui peut entraîner un dysfonctionnement du cerveau.”
