L’expression génétique dans les neurones résout un casse-tête sur l’évolution du cerveau

Le néocortex se dresse comme une réalisation étonnante de l’évolution biologique. Tous les mammifères ont cette bande de tissu recouvrant leur cerveau, et les six couches de neurones densément emballées à l’intérieur gèrent les calculs et les associations sophistiqués qui produisent des prouesses cognitives. Étant donné qu’aucun animal autre que les mammifères n’a de néocortex, les scientifiques se sont demandé comment une région cérébrale aussi complexe a évolué.

Les cerveaux des reptiles semblaient offrir un indice. Non seulement les reptiles sont les parents vivants les plus proches des mammifères, mais leur cerveau a une structure à trois couches appelée crête ventriculaire dorsale, ou DVR, avec des similitudes fonctionnelles avec le néocortex. Pendant plus de 50 ans, certains neuroscientifiques évolutionnistes ont soutenu que le néocortex et le DVR étaient tous deux dérivés d’une caractéristique plus primitive chez un ancêtre partagé par les mammifères et les reptiles.

Maintenant, cependant, en analysant des détails moléculaires invisibles à l’œil humain, les scientifiques ont réfuté ce point de vue. En examinant les modèles d’expression génique dans les cellules cérébrales individuelles, des chercheurs de l’Université de Columbia ont montré que malgré les similitudes anatomiques, le néocortex chez les mammifères et le DVR chez les reptiles ne sont pas liés. Au lieu de cela, les mammifères semblent avoir fait évoluer le néocortex en une région cérébrale entièrement nouvelle, construite sans laisser de trace de ce qui l’a précédé. Le néocortex est composé de nouveaux types de neurones qui semblent sans précédent chez les animaux ancestraux.

Les neurones pyramidaux sont le type de neurones le plus abondant dans le néocortex. Des travaux récents suggèrent que plusieurs types d’entre eux dans le néocortex ont évolué comme des innovations chez les mammifères.

Illustrations : Ekaterina Epifanova et Marta Rosário/Charité

L’article décrivant ce travail, dirigé par la biologiste de l’évolution et du développement Maria Antonietta Tosches, a été publié en septembre dernier dans Science.

Ce processus d’innovation évolutive dans le cerveau ne se limite pas à la création de nouvelles pièces. D’autres travaux de Tosches et de ses collègues dans le même numéro de Science ont montré que même des régions cérébrales apparemment anciennes continuent d’évoluer en se reconnectant avec de nouveaux types de cellules. La découverte que l’expression génique peut révéler ces types de distinctions importantes entre les neurones incite également les chercheurs à repenser la façon dont ils définissent certaines régions du cerveau et à réévaluer si certains animaux pourraient avoir un cerveau plus complexe qu’ils ne le pensaient.

Gènes actifs dans les neurones uniques

Dans les années 1960, l’influent neuroscientifique Paul MacLean a proposé une idée sur l’évolution du cerveau qui était erronée mais qui avait tout de même un impact durable sur le domaine. Il a suggéré que les noyaux gris centraux, un groupement de structures près de la base du cerveau, étaient un vestige d’un «cerveau de lézard» qui a évolué chez les reptiles et était responsable des instincts et des comportements de survie. Lorsque les premiers mammifères ont évolué, ils ont ajouté un système limbique pour la régulation des émotions au-dessus des ganglions de la base. Et lorsque les humains et d’autres mammifères avancés sont apparus, selon MacLean, ils ont ajouté un néocortex. Comme un “bouchon de réflexion”, il était assis au sommet de la pile et conférait une cognition plus élevée.

Les types de cellules trouvées dans la partie du cerveau d’une salamandre appelée le pallium ne semblent correspondre à aucune cellule du néocortex des mammifères. Ce résultat suggère que le néocortex a évolué de manière entièrement indépendante.

Avec l’aimable autorisation du laboratoire Tosches

Ce modèle de “cerveau trinitaire” a captivé l’imagination du public après que Carl Sagan en ait parlé dans son livre lauréat du prix Pulitzer en 1977. Les Dragons d’Eden. Les neuroscientifiques évolutionnistes ont été moins impressionnés. Des études ont rapidement démystifié le modèle en montrant de manière concluante que les régions du cerveau n’évoluent pas parfaitement les unes sur les autres. Au lieu de cela, le cerveau évolue dans son ensemble, les parties les plus anciennes subissant des modifications pour s’adapter à l’ajout de nouvelles parties, a expliqué Paul Cisek, neuroscientifique cognitif à l’Université de Montréal. “Ce n’est pas comme mettre à niveau votre iPhone, où vous chargez une nouvelle application”, a-t-il déclaré.

L’explication la mieux étayée de l’origine des nouvelles régions du cerveau était qu’elles évoluaient principalement en dupliquant et en modifiant des structures et des circuits neuronaux préexistants. Pour de nombreux biologistes de l’évolution, tels que Harvey Karten de l’Université de Californie à San Diego, les similitudes entre le néocortex des mammifères et le DVR reptilien suggèrent qu’ils sont, en termes d’évolution, homologues – qu’ils ont tous deux évolué à partir d’une structure transmise d’un ancêtre commun aux mammifères et aux reptiles.

Mais d’autres chercheurs, dont Luis Puelles de l’Université de Murcie en Espagne, n’étaient pas d’accord. Dans le développement des mammifères et des reptiles, ils ont vu des signes que le néocortex et le DVR ont pris forme à travers des processus complètement différents. Cela a laissé entendre que le néocortex et le DVR ont évolué indépendamment. Si tel est le cas, leurs similitudes n’avaient rien à voir avec l’homologie : il s’agissait probablement de coïncidences dictées par les fonctions et les contraintes des structures.

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