Les scientifiques ont créé des cerveaux miniatures dans le laboratoire qui ont formé des réseaux complexes et produit des ondes cérébrales similaires à celles tirées par le cerveau en développement d'un bébé humain prématuré, selon une nouvelle étude.
L'idée de faire croître des cerveaux miniatures en laboratoire n'est pas nouvelle; les chercheurs le font depuis près d'une décennie. Mais la plupart des études ont utilisé ces mini cerveaux ou "organoïdes" pour étudier la structure à grande échelle.
Par exemple, un groupe a développé des mini-cerveaux qui pourraient développer des vaisseaux sanguins, a rapporté Live Science précédemment. Un autre groupe a exposé des mini-cerveaux au virus Zika pour comprendre comment il peut conduire à des têtes anormalement petites ou à une microcéphalie.
Mais dans des conditions telles que l'autisme, la schizophrénie, le trouble bipolaire et même la dépression, "le cerveau est intact et le problème dépend des opérations du réseau", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Alysson Muotri, professeur agrégé au Département de médecine cellulaire et moléculaire et le directeur du programme sur les cellules souches à l'Université de Californie à San Diego. C'est la première fois que des cerveaux cultivés en laboratoire forment des réseaux complexes de neurones qui produisent de fortes ondes cérébrales.
Pour ce faire, Muotri et son équipe ont récolté des cellules souches humaines - qui peuvent se transformer en n'importe quel type de cellule selon les bonnes instructions - dérivées de la peau et du sang des gens. Les chercheurs ont exposé ces cellules souches à des instructions chimiques qui transformeraient les cellules en cellules cérébrales.
Pour la plupart, ces cellules ont formé des cellules progénitrices neurales, des cellules spécifiques au cerveau qui peuvent proliférer et donner naissance à de nombreux types de cellules cérébrales. Après deux à cinq mois dans une boîte de laboratoire, ces cellules progénitrices forment des neurones glutamatergiques, des cellules cérébrales «excitatrices» ou celles qui propagent l'information.
Après environ quatre mois, les mini-cerveaux ont cessé de fabriquer des neurones excitateurs et ont commencé à fabriquer des astrocytes. Ces cellules cérébrales aident à façonner les synapses, les espaces entre les cellules cérébrales où les neurotransmetteurs ou les substances chimiques du cerveau transmettent l'information. Enfin, les cellules progénitrices ont commencé à fabriquer des neurones inhibiteurs, qui stoppent l'activité cérébrale ou empêchent les neurones de transmettre des informations. C'est alors que "l'activité commence à devenir plus complexe, car maintenant nous équilibrons l'excitation et l'inhibition", a déclaré Muotri.
Alors que les cellules se divisaient et se différenciaient, elles ont finalement commencé à "s'auto-organiser en quelque chose qui ressemble au cortex humain", a déclaré Muotri. Le cortex est la couche externe du cerveau, qui joue un rôle important dans la conscience.
Les «mini cerveaux» ne ressemblent en fait pas à des versions miniatures du cerveau humain. Ce sont plutôt des taches blanches et sphériques qui flottent dans la soupe rougeâtre dans laquelle elles sont cultivées, a déclaré Muotri. Ils ont atteint un diamètre de seulement 0,5 cm, mais leurs réseaux de neurones ont continué à évoluer pendant neuf à 10 mois avant de s'arrêter, a-t-il déclaré.
Tout au long de la croissance des mini-cerveaux, l'équipe a utilisé un ensemble de minuscules électrodes qui se connectent aux neurones pour mesurer l'activité cérébrale. Les chercheurs ont découvert qu'à environ deux mois, les neurones du mini-cerveau ont commencé à émettre des signaux sporadiques, tous à la même fréquence. Après quelques mois de développement supplémentaires, le cerveau a émis des signaux à différentes fréquences et plus régulièrement, indiquant une activité cérébrale plus complexe, a déclaré Muotri.
Alors que des études précédentes ont montré que des mini-cerveaux produits en laboratoire pouvaient produire une décharge de cellules cérébrales, les chercheurs ont rapporté qu'ils tiraient environ 3000 fois par minute, a déclaré Muotri. Dans cette étude, cependant, les neurones ont tiré près de 300 000 fois par minute, ce qui est "plus proche du cerveau humain", a-t-il déclaré.
L'équipe a ensuite utilisé un algorithme d'apprentissage automatique pour comparer l'activité cérébrale de ces mini cerveaux à celle de bébés humains prématurés. Les chercheurs ont formé leur programme pour apprendre les ondes cérébrales enregistrées par 39 bébés prématurés âgés de 6 à 9 mois et demi.
Les scientifiques ont ensuite introduit les modèles d'ondes cérébrales des mini-cerveaux dans l'algorithme et ont constaté qu'après 25 semaines de développement du mini-cerveau, il ne pouvait plus distinguer les données provenant du cerveau humain de celles provenant du cerveau cultivé en laboratoire. "Cela devient confus et donne le même âge à tous les deux", ce qui suggère que les mini-cerveaux et les cerveaux humains se développaient et se développaient de manière similaire, a déclaré Muotri.
Cette étude montre "très bien que vous pouvez rendre ces systèmes expérimentaux reproductibles où vous pouvez aborder des processus qui sont si fondamentaux pour le développement d'un être humain", a déclaré le Dr Thomas Hartung, directeur du Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing qui a également travaillé sur le développement de mini-cerveaux en laboratoire mais qui ne faisait pas partie de l'étude.
"L'inaccessibilité du cerveau embryonnaire est l'une des raisons pour lesquelles ces modèles offrent quelque chose de différent", a-t-il déclaré. "Mais cela signifie aussi que vous avez très peu d'opportunités de dire que c'est la vraie chose." Bien que les signaux EEG soient similaires à ceux des bébés prématurés, leur timing est légèrement décalé, a-t-il ajouté.
Alors qu'un embryon humain est connecté à la mère et reçoit ainsi des signaux de l'extérieur, ces cerveaux cultivés en laboratoire ne sont connectés à rien. "Ces cellules n'ont ni entrée ni sortie, elles ne peuvent rien reconnaître dans le monde", a déclaré Hartung. Ils ne sont donc "certainement pas" conscients.
C'est ce que la plupart des scientifiques seraient d'accord, mais "c'est difficile à dire", a déclaré Muotri. "Nous, les neuroscientifiques, ne sommes même pas d'accord sur les mesures que l'on peut faire pour sonder réellement pour voir s'ils sont conscients ou non."
Le cerveau humain envoie ses signaux pour nous aider à interagir avec notre environnement. Par exemple, nous regardons un bug, les yeux envoient des signaux aux cellules du cerveau, qui se signalent et nous font savoir que nous voyons un bug.
Alors, pourquoi ces cerveaux cultivés en laboratoire envoient-ils des signaux? De quoi pourraient-ils parler? "C'est une question que nous ne savons pas, car le cerveau embryonnaire est vraiment une boîte noire", a déclaré Muotri. Il semble que la plupart des signaux à ces premiers stades impliquent des instructions pour «s'auto-câbler» ou se connecter les uns aux autres, a-t-il déclaré.
Dans tous les cas, il a dit qu'il espérait que des études comme celle-ci nous aideraient à comprendre comment le câblage cérébral précoce donne naissance à notre cerveau complexe, et ce qui se passe lorsque ce câblage tourne mal.
Muotri et son équipe ont déclaré qu'ils espéraient maintenant stimuler davantage les organoïdes cérébraux pour voir s'ils pouvaient se développer au-delà de neuf à dix mois. Les chercheurs aimeraient également modéliser les troubles cérébraux, par exemple en créant des organoïdes cérébraux avec des cellules prélevées sur des enfants autistes, pour comprendre comment leurs réseaux cérébraux se développent.
Les résultats ont été publiés aujourd'hui (29 août) dans la revue Cell Stem Cell.
