Bien que le cerveau du rat soit plus petit et moins complexe que le cerveau humain, les recherches en neurologie comparée ont montré que leur structure et leur fonctionnement sont remarquablement similaires. Ils sont tous deux constitués d’une grande quantité de neurones connectés qui communiquent les uns avec les autres de façon constante.
La communication entre deux neurones se fait par l’intermédiaire de substances chimiques appelées neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique. Ces substances diffèrent suivant les synapses. Elles sont produites par le neurone qui envoie le message et elles sont reconnues par le neurone qui le reçoit.
Leurs cerveaux sont constitué de trois parties principales de taille différente selon les deux espèces:
Le cerveau proprement dit, ou cerveau intelligent remplit une très grande partie de la boîte crânienne…
Le cervelet est situé à l’arrière de la tête, sous le cerveau. …
Le tronc cérébral est situé sous le cerveau, devant le cervelet.
C’est la synapse, soit la zone située entre deux cellules nerveuses, qui assure la transmission des neurotransmetteurs. La synapse est donc la structure histologique par laquelle l’axone d’un neurone s’articule avec les dendrites d’un autre neurone.
L’histologie, également connue sous le nom d’anatomie microscopique ou microanatomie, est la branche de la biologie qui étudie l’anatomie microscopique des tissus biologiques. L’histologie est la contrepartie microscopique de l’anatomie macroscopique, qui examine les structures plus grandes visibles sans microscope.
Pour plus de détails, voir
Le cerveau à tous les niveaux https://lecerveau.mcgill.ca/flash/i/i_05/i_05_cr/i_05_cr_her/i_05_cr_her.html
Pour approfondir les ressemblances et différences entre un cerveau humain et un cerveau de rat, des chercheurs ont eu l’idée d’implanter un organoïde cérébral humain dans un cerveau de rat. On appelle organoide un amas cellulaire prélevé dans un organe donné et greffé dans un autre organe. L’un et l’autre peuvent appartenie au même individu d’une espèce donnée ou provenir de deux espèces différentes. Dans l’expérience relatée, il s’agissait d’un humain et d’un rat.
L’amas cellulaire a prospéré dans l’encéphale du rongeur, rendant possibles de nouvelles études des maladies neuropsychiatriques humaines.
Grâce à l’implantation à un stade très précoce, les neurones humains ont pu s’intégrer au réseau des neurones de rat. « Ils répondent à des stimuli externes et émettent des signaux internes. La stimulation des vibrisses de l’animal a provoqué leur activation, observe le neuroscientique Sergiu Pasca, qui dirige l’expérience . Le rongeur a aussi appris à associer l’activation de ces neurones humains avec une récompense (de l’eau dans un distributeur). Ils sont donc intégrés fonctionnellement dans le cerveau du rat.
Sergiu P. Pașca est un scientifique et médecin roumano-américain de l’Université de Stanford en Californie.
Des animaux avec un cerveau mi-humain, mi-rongeur… De quoi s’interroger sur la nature de l’activité cérébrale et le comportement de ces chimères. « Nous nous sommes beaucoup penchés sur les questions éthiques, de bien-être pour les rongeurs, depuis le début de cette expérience, reconnaît Sergiu Pasca. Nous avons fait passer aux animaux des électroencéphalogrammes [EEG] pour détecter l’existence de crises d’épilepsie, des tests d’anxiété, de déficit de mémoire et nous n’avons rien vu, ni altération du comportement ni augmentation des capacités. »
Faire croitre une petite boule de neurones humains de la taille d’une tête d’épingle dans une boîte de Petri est devenu un acte routinier pour nombre de laboratoires dans le monde. Désignées sous le nom d’organoïdes de cerveau, ces cultures en 3D de tissus cérébraux vivants ont ouvert une nouvelle ère dans la recherche sur l’encéphale humain. Mais jusqu’où peut-on aller lorsqu’il s’agit de créer un modèle de cerveau en laboratoire ?
Récemment, des chercheurs américains ont poussé encore plus loin le potentiel de maturation de ces organoïdes en les transplantant dans les cerveaux de rats nouveau-nés, ensuite rapidement colonisés par les cellules humaines. Un outil inédit pour l’étude des maladies neuropsychiatriques de l’homme et pour tester de nouveaux traitements, selon les chercheurs. Mais il pose aussi une série de questions éthiques.
« Nous voulons comprendre les maladies psychiatriques ancrées dans le cerveau à un niveau moléculaire, pour trouver des traitements. Mais le cerveau est un organe difficile d’accès, explique aujourd’hui Sergiu Pasca, chercheur et médecin de l’université Stanford, en Californie. En construisant un modèle non invasif du cerveau humain, nous pouvons relever ce défi. »
Les organoïdes présentent actuellement quelques limitations en laboratoire. « Nous n’observons pas la même connectivité entre les neurones ni la même taille de cellules que dans le cerveau humain, continue le scientifique. C’est pourquoi nous avons décidé de transplanter ces organoïdes dans le cortex somato-sensoriel de rats nouveau-nés, lorsque le système nerveux des rongeurs est encore en maturation. » Cette région du cortex reçoit les informations provenant de la surface du corps (toucher, chaud, froid, douleur, etc.) et, notamment chez les rongeurs, des moustaches appelées vibrisses.
Les résultats de cette expérience, publiés le 12 octobre dans la revue Nature, et référencé ci-dessous, ont montré que la connectivité entre cellules nerveuses humaines était bien plus importante, et que ces neurones plus matures étaient six fois plus grands dans la tête de rat, comparés aux organoïdes dans les boîtes de Petri. Après deux cent cinquante jours dans le cerveau de l’animal, les neurones d’organoïdes occupaient près d’un tiers de l’hémisphère cérébral.
De plus, grâce à l’implantation à un stade très précoce, les neurones humains ont pu s’intégrer au réseau des neurones de rat. « Ils répondent à des stimuli externes et émettent des signaux internes. La stimulation des vibrisses de l’animal a provoqué leur activation Le rongeur a aussi appris à associer l’activation de ces neurones humains avec une récompense (de l’eau dans un distributeur). Ils sont donc intégrés fonctionnellement dans le cerveau du rat. »
Référence
Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids
Nature volume 610, pages 319–326 (2022)
Abstract
Self-organizing neural organoids represent a promising in vitro platform with which to model human development and disease. However, organoids lack the connectivity that exists in vivo, which limits maturation and makes integration with other circuits that control behaviour impossible. Here we show that human stem cell-derived cortical organoids transplanted into the somatosensory cortex of newborn athymic rats develop mature cell types that integrate into sensory and motivation-related circuits. MRI reveals post-transplantation organoid growth across multiple stem cell lines and animals, whereas single-nucleus profiling shows progression of corticogenesis and the emergence of activity-dependent transcriptional programs. Indeed, transplanted cortical neurons display more complex morphological, synaptic and intrinsic membrane properties than their in vitro counterparts, which enables the discovery of defects in neurons derived from individuals with Timothy syndrome. Anatomical and functional tracings show that transplanted organoids receive thalamocortical and corticocortical inputs, and in vivo recordings of neural activity demonstrate that these inputs can produce sensory responses in human cells. Finally, cortical organoids extend axons throughout the rat brain and their optogenetic activation can drive reward-seeking behaviour. Thus, transplanted human cortical neurons mature and engage host circuits that control behaviour. We anticipate that this approach will be useful for detecting circuit-level phenotypes in patient-derived cells that cannot otherwise be uncovered.
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