Comment les chercheurs étudient le cerveau humain isolé du corps

2024 Auteur: Malcolm Clapton | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 03:55

Comment les scientifiques créent des modèles du cerveau humain et quelles questions éthiques ces recherches soulèvent.

La revue Nature a publié L'éthique de l'expérimentation avec le tissu cérébral humain, une lettre collective de 17 neuroscientifiques de premier plan dans le monde, dans laquelle les scientifiques ont discuté des progrès dans le développement de modèles de cerveau humain. Les craintes des spécialistes sont les suivantes: probablement dans un avenir proche, les modèles deviendront si avancés qu'ils commenceront à reproduire non seulement la structure, mais aussi les fonctions du cerveau humain.

Est-il possible de créer « dans un tube à essai » un morceau de tissu nerveux qui a une conscience ? Les scientifiques connaissent la structure du cerveau des animaux dans les moindres détails, mais n'ont toujours pas compris quelles structures "codent" la conscience et comment mesurer sa présence, s'il s'agit d'un cerveau isolé ou de sa similitude.

Cerveau dans l'aquarium

« Imaginez vous réveiller dans une chambre de privation sensorielle isolée - il n'y a pas de lumière, pas de son, pas de stimuli externes autour. Seule votre conscience, suspendue dans le vide."

C'est l'image d'éthiciens commentant une déclaration du neuroscientifique de l'Université de Yale, Nenad Sestan, selon laquelle son équipe a réussi à maintenir en vie un cerveau de porc isolé pendant 36 heures.

Les chercheurs maintiennent en vie des cerveaux de porcs en dehors du corps. Un rapport d'une expérience réussie a été fait lors d'une réunion du comité d'éthique des National Institutes of Health des États-Unis à la fin du mois de mars de cette année. À l'aide d'un système de pompe chauffée appelé BrainEx et d'un substitut sanguin synthétique, les chercheurs ont maintenu la circulation des fluides et l'apport d'oxygène aux cerveaux isolés de centaines d'animaux tués dans un abattoir quelques heures avant l'expérience, a-t-il déclaré.

Les organes sont restés vivants, à en juger par la persistance de l'activité de milliards de neurones individuels. Cependant, les scientifiques ne peuvent pas dire si les cerveaux de porc placés dans "l'aquarium" ont conservé des signes de conscience. L'absence d'activité électrique, testée de manière standardisée à l'aide d'un électroencéphalogramme, a convaincu Sestan que « ce cerveau ne se soucie de rien ». Il est possible que le cerveau isolé de l'animal soit dans le coma, ce qui, notamment, pourrait être facilité par les composants de la solution le lavant.

Les auteurs ne divulguent pas les détails de l'expérience - ils préparent une publication dans une revue scientifique. Néanmoins, même le rapport de Sestan, pauvre en détails, a suscité un grand intérêt et beaucoup de spéculations sur le développement ultérieur de la technologie. Il semble que la préservation du cerveau ne soit pas beaucoup plus difficile techniquement que la préservation de tout autre organe pour la transplantation, comme le cœur ou le rein.

Cela signifie qu'il est théoriquement possible de conserver le cerveau humain dans un état plus ou moins naturel.

Les cerveaux isolés pourraient être un bon modèle, par exemple, pour la recherche de médicaments: après tout, les restrictions réglementaires existantes s'appliquent aux personnes vivantes, et non aux organes individuels. Cependant, d'un point de vue éthique, de nombreuses questions se posent ici. Même la question de la mort cérébrale reste une "zone grise" pour les chercheurs - malgré l'existence de critères médicaux formels, il existe un certain nombre de conditions similaires, à partir desquelles un retour à une activité de vie normale est encore possible. Que dire de la situation quand on affirme que le cerveau reste vivant. Et si le cerveau, isolé du corps, continuait à conserver tout ou partie des traits de personnalité ? Il est alors tout à fait possible d'imaginer la situation décrite au début de l'article.

Où la conscience se cache

Malgré le fait que jusqu'aux années 80 du 20ème siècle, il y avait des partisans de la théorie du dualisme, qui sépare l'âme du corps, parmi les scientifiques, à notre époque, même les philosophes étudiant la psyché conviennent que tout ce que nous appelons la conscience est généré par le cerveau matériel (histoire La question peut être lue plus en détail, par exemple, dans ce chapitre Où est la conscience: histoire de la question et perspectives de la recherche du livre du lauréat du prix Nobel Eric Kandel « À la recherche de la mémoire »).

De plus, avec des techniques modernes telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, les scientifiques peuvent suivre quelles zones du cerveau sont activées lors d'exercices mentaux spécifiques. Néanmoins, le concept de conscience dans son ensemble est trop éphémère, et les scientifiques ne sont toujours pas d'accord pour savoir s'il est codé par un ensemble de processus se déroulant dans le cerveau, ou si certains corrélats neuronaux en sont responsables.

Comme le dit Kandel dans son livre, chez les patients dont les hémisphères cérébraux sont séparés chirurgicalement, la conscience est divisée en deux, chacun percevant une image indépendante du monde.

Ces cas et des cas similaires de la pratique neurochirurgicale indiquent au moins que pour l'existence de la conscience, l'intégrité du cerveau en tant que structure symétrique n'est pas requise. Certains scientifiques, dont le découvreur de la structure de l'ADN Francis Crick, qui à la fin de sa vie s'est intéressé aux neurosciences, pensent que la présence de la conscience est déterminée par des structures spécifiques dans le cerveau.

Peut-être s'agit-il de certains circuits neuronaux, ou peut-être qu'il s'agit des cellules auxiliaires du cerveau - les astrocytes, qui chez l'homme, par rapport à d'autres animaux, sont plutôt hautement spécialisés. D'une manière ou d'une autre, les scientifiques sont déjà parvenus à modéliser des structures individuelles du cerveau humain in vitro (« in vitro ») ou même in vivo (en tant que partie du cerveau des animaux).

Réveillez-vous dans un bioréacteur

On ne sait pas dans combien de temps viendront les expériences sur des cerveaux entiers extraits du corps humain - d'abord, les neuroscientifiques et les éthiciens doivent s'entendre sur les règles du jeu. Néanmoins, dans les laboratoires des boîtes de Pétri et des bioréacteurs, l'essor des cultures de cerveau humain en trois dimensions fait déjà croître des « mini-cerveaux » qui imitent la structure du « grand » cerveau humain ou de ses parties spécifiques.

Dans le processus de développement de l'embryon, ses organes sont formés jusqu'à certaines étapes selon un programme inhérent aux gènes selon le principe d'auto-organisation. Le système nerveux ne fait pas exception. Les chercheurs ont découvert que si la différenciation en cellules du tissu nerveux est induite en culture de cellules souches à l'aide de certaines substances, cela conduit à des réarrangements spontanés en culture cellulaire, similaires à ceux qui se produisent lors de la morphogenèse du tube neural embryonnaire.

Les cellules souches induites de cette manière "par défaut" se différencient finalement en neurones du cortex cérébral, cependant, en ajoutant des molécules de signalisation de l'extérieur à une boîte de Pétri, par exemple, des cellules du mésencéphale, du striatum ou de la moelle épinière peuvent être obtenues. Il s'est avéré qu'un mécanisme intrinsèque de corticogenèse à partir de cellules souches embryonnaires peut être cultivé dans une boîte, un véritable cortex, tout comme dans le cerveau, constitué de plusieurs couches de neurones et contenant des astrocytes auxiliaires.

Il est clair que les cultures bidimensionnelles représentent un modèle très simplifié. Le principe d'auto-organisation du tissu nerveux a aidé les scientifiques à passer rapidement à des structures tridimensionnelles appelées sphéroïdes et organites cérébraux. Le processus d'organisation des tissus peut être influencé par des changements dans les conditions initiales, telles que la densité de culture initiale et l'hétérogénéité cellulaire, et par des facteurs exogènes. En modulant l'activité de certaines cascades de signalisation, il est même possible d'obtenir la formation de structures avancées dans l'organoïde, comme la coupe optique avec l'épithélium rétinien, qui réagit à la lumière la diversité cellulaire et la dynamique des réseaux dans les organoïdes photosensibles du cerveau humain.

L'utilisation d'un vaisseau spécial et le traitement avec des facteurs de croissance ont permis aux scientifiques d'obtenir à dessein la modélisation du développement cortical humain in vitro à l'aide de cellules souches pluripotentes induites - un organoïde cérébral humain correspondant au cerveau antérieur (hémisphères) avec un cortex, dont le développement, à en juger par l'expression des gènes et des marqueurs, correspondait au premier trimestre du développement fœtal…

Et des scientifiques de Stanford, dirigés par Sergiu Pasca, ont développé des neurones corticaux fonctionnels et des astrocytes à partir de cellules souches pluripotentes humaines en culture 3D, un moyen de faire pousser des touffes qui imitent le cerveau antérieur directement dans une boîte de Pétri. La taille de ces "cerveaux" est d'environ 4 millimètres, mais après 9 à 10 mois de maturation, les neurones corticaux et les astrocytes de cette structure correspondent au niveau de développement postnatal, c'est-à-dire au niveau de développement du bébé immédiatement après la naissance.

Il est important de noter que les cellules souches pour la croissance de telles structures peuvent être prélevées sur des personnes spécifiques, par exemple sur des patients atteints de maladies du système nerveux génétiquement déterminées. Et les avancées du génie génétique suggèrent que les scientifiques pourront bientôt observer in vitro le développement du cerveau d'un Néandertal ou d'un Denisovan.

En 2013, des chercheurs de l'Institut de biotechnologie moléculaire de l'Académie autrichienne des sciences ont publié un article Les organoïdes cérébraux modélisent le développement du cerveau humain et la microcéphalie, décrivant la culture d'un « cerveau miniature » à partir de deux types de cellules souches dans un bioréacteur, qui imite le structure de l'ensemble du cerveau humain.

Différentes zones de l'organoïde correspondaient à différentes parties du cerveau: postérieure, moyenne et antérieure, et le « cerveau antérieur » présentait même une différenciation plus poussée en lobes (« hémisphères »). Fait important, dans ce mini-cerveau, qui ne dépassait pas non plus quelques millimètres, les scientifiques ont observé des signes d'activité, notamment des fluctuations de la concentration de calcium à l'intérieur des neurones, qui servent d'indicateur de leur excitation (vous pouvez lire en détail à propos de cette expérience ici).

L'objectif des scientifiques était non seulement de reproduire l'évolution du cerveau in vitro, mais aussi d'étudier les processus moléculaires conduisant à la microcéphalie - une anomalie du développement qui survient notamment lorsqu'un embryon est infecté par le virus Zika. Pour cela, les auteurs des travaux ont fait croître le même mini-cerveau à partir des cellules du patient.

Malgré les résultats impressionnants, les scientifiques étaient convaincus que de tels organites étaient incapables de réaliser quoi que ce soit. Premièrement, le vrai cerveau contient environ 80 milliards de neurones, et l'organoïde développé contient plusieurs ordres de grandeur de moins. Ainsi, un mini-cerveau n'est tout simplement pas physiquement capable de remplir pleinement les fonctions d'un vrai cerveau.

Deuxièmement, en raison des particularités du développement "in vitro", certaines de ses structures étaient situées de manière plutôt chaotique et formaient des connexions incorrectes et non physiologiques les unes avec les autres. Si le mini-cerveau pensait à quelque chose, c'était clairement quelque chose d'inhabituel pour nous.

Afin de résoudre le problème de l'interaction des départements, des neuroscientifiques ont proposé de modéliser le cerveau à un nouveau niveau, que l'on appelle « assembloïdes ». Pour leur formation, les organites sont d'abord cultivés séparément, correspondant à des parties individuelles du cerveau, puis ils sont fusionnés.

Cette approche, les scientifiques ont utilisé l'assemblage de sphéroïdes du cerveau antérieur humain fonctionnellement intégrés pour étudier comment les soi-disant interneurones, qui apparaissent après la formation de la majeure partie des neurones par migration du cerveau antérieur adjacent, sont incorporés dans le cortex. Des assemblages obtenus à partir de deux types de tissus nerveux ont permis d'étudier les perturbations de la migration des interneurones chez des patients épileptiques et autistes.

Se réveiller dans le corps de quelqu'un d'autre

Même avec toutes les améliorations, les capacités du cerveau dans un tube sont sévèrement limitées par trois conditions fondamentales. Premièrement, ils n'ont pas de système vasculaire qui leur permet de fournir de l'oxygène et des nutriments à leurs structures internes. Pour cette raison, la taille des mini-cerveaux est limitée par la capacité des molécules à se diffuser à travers les tissus. Deuxièmement, ils n'ont pas de système immunitaire, représenté par des cellules microgliales: normalement ces cellules migrent vers le système nerveux central depuis l'extérieur. Troisièmement, une structure poussant en solution n'a pas de microenvironnement spécifique fourni par le corps, ce qui limite le nombre de molécules de signalisation qui l'atteignent. La solution à ces problèmes pourrait être la création d'animaux modèles avec des cerveaux chimériques.

Le travail récent An in vivo model of fonctionnel and vascularisé human brain organoids par des scientifiques américains du Salk Institute sous la direction de Fred Gage décrit l'intégration d'un organite cérébral humain (c'est-à-dire un mini-cerveau) dans le cerveau d'une souris.. Pour ce faire, les scientifiques ont d'abord inséré le gène d'une protéine fluorescente verte dans l'ADN des cellules souches afin que le devenir du tissu nerveux en développement puisse être observé au microscope. Des organoïdes ont été cultivés à partir de ces cellules pendant 40 jours, qui ont ensuite été implantés dans une cavité du cortex rétrosplénal d'une souris immunodéficiente. Trois mois plus tard, chez 80 pour cent des animaux, l'implant a pris racine.

Les cerveaux chimériques des souris ont été analysés pendant huit mois. Il s'est avéré que l'organoïde, qui pouvait être facilement distingué par la luminescence d'une protéine fluorescente, s'est intégré avec succès, a formé un réseau vasculaire ramifié, a développé des axones et formé des synapses avec les processus nerveux du cerveau hôte. De plus, les cellules microgliales se sont déplacées de l'hôte vers l'implant. Enfin, les chercheurs ont confirmé l'activité fonctionnelle des neurones - ils ont montré une activité électrique et des fluctuations du calcium. Ainsi, le « mini-cerveau » humain est pleinement entré dans la composition du cerveau de la souris.

Étonnamment, l'intégration d'un morceau de tissu nerveux humain n'a pas affecté le comportement des souris expérimentales. Dans un test d'apprentissage spatial, les souris avec des cerveaux chimériques ont eu les mêmes performances que les souris normales et avaient même une mémoire pire - les chercheurs ont expliqué cela par le fait que pour l'implantation, elles ont fait un trou dans le cortex cérébral.

Néanmoins, le but de ce travail n'était pas d'obtenir une souris intelligente avec une conscience humaine, mais de créer un modèle in vivo d'organites cérébraux humains équipés d'un réseau vasculaire et d'un microenvironnement à diverses fins biomédicales.

Une expérience d'un genre complètement différent a été mise en scène par des scientifiques du Center for Translational Neuromedicine de l'Université de Rochester en 2013. Comme mentionné précédemment, les cellules cérébrales accessoires humaines (astrocytes) sont très différentes de celles d'autres animaux, en particulier de souris. Pour cette raison, les chercheurs suggèrent que les astrocytes jouent un rôle important dans le développement et le maintien des fonctions cérébrales humaines. Pour tester comment un cerveau de souris chimérique se développerait avec des astrocytes humains, les scientifiques ont planté des précurseurs de cellules auxiliaires dans le cerveau d'embryons de souris.

Il s'est avéré que dans un cerveau chimérique, les astrocytes humains fonctionnent trois fois plus vite que les souris. De plus, les souris dotées de cerveaux chimériques se sont avérées nettement plus intelligentes que d'habitude à bien des égards. Ils ont été plus rapides à réfléchir, à mieux apprendre et à naviguer dans le labyrinthe. Probablement, les souris chimériques ne pensaient pas comme les gens, mais, peut-être, elles pouvaient se sentir à un stade différent de l'évolution.

Cependant, les rongeurs sont loin d'être des modèles idéaux pour étudier le cerveau humain. Le fait est que le tissu nerveux humain mûrit selon une horloge moléculaire interne et que son transfert vers un autre organisme n'accélère pas ce processus. Étant donné que les souris ne vivent que deux ans et que la formation complète d'un cerveau humain prend quelques décennies, aucun processus à long terme sous la forme d'un cerveau chimérique ne peut être étudié. Peut-être que l'avenir des neurosciences appartient encore au cerveau humain dans les aquariums - pour découvrir à quel point c'est éthique, les scientifiques ont juste besoin d'apprendre à lire dans les pensées, et la technologie moderne semble pouvoir le faire bientôt.