Voir Wikipédia Un organoïde cérébral, aussi appelé minicerveau ou cerveau miniature, est une masse de cellules mimant la structure et les fonctions principales du cerveau. Ils sont créés en laboratoire à partir de cellules souches pluripotentes (embryonnaires ou induites) qui s’organisent de manière autonome dans un milieu nutritif, hors de tout organisme vivant. Les cellules souches vont s’organiser en sphères, formant des « corps embryoïdes » à la surface desquels va pousser un tissu neuroectodermal. Ces sphères seront ensuite cultivées dans un gel (matrigel) servant de support à la croissance cellulaire. Un milieu de culture favorisant la différenciation neurale des cellules souches sera alors ajouté. Enfin, les organoïdes sont cultivés sur un agitateur afin de favoriser l’absorption de nutriments[1]. Après environ 2 mois de culture, les organoïdes cérébraux atteignent leur taille maximale (jusqu’à 4 mm de diamètre). Ils sont alors composés de tissus hétérogènes complexes, similaires au cortex cérébral, au plexus choroïde et parfois à la rétine ou aux méninges, pouvant survivre indéfiniment (plus de 25 mois[2]). Il est intéressant de noter que leur taille maximale est limitée par l’absence de système vasculaire limitant l’apport de nutriments et d’oxygène au cœur de l’organoïde, induisant une mort cellulaire[1].
Le premier protocole pour créer ces organoïdes cérébraux a été développé par un laboratoire de l’Institute of Molecular Biotechnology (en) (IMBA), de l’Académie autrichienne des sciences[3] en 2014. En 2019, une équipe de l’Université de San Diego détecte des ondes cérébrales coordonnées dans des organoïdes cérébraux[4],[5].
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Deux semaines avant le confinement de mard 2020 faisant suite à la pandémie due au Covid 19, l’éditeur médical amécicain George Mussere rapporte avoir visité à Tucson, Arizona, l’anesthésiste-réanimatrice. Stuart Hameroff et co-auteur avec le prix Nobel de physique Roger Penrose, d’une hypofhèse radicale selon laquemme la consciennc trouve son origine dans le cervau de phénomènes quantiques s’y produisant. L’idée n’était pas nouvele mais elle avait été rejettée comme imposssibll à démontrer expérimentalement
Pour en savoir plus lire Roger Penrose: « Consciousness must be beyond computable physics »
Après ue semaine dediscussion , le trio réalisa que leur hypoyth était trop simpliste, sur le mode à prendre pu à laoisser. Il falait de novelles démonqtrations. Maos celles-ci nécessitait de nouvelles expériencs, en physiqie, biologie et et meurologiep
Leur proposition est dite en siscussion. Elle snifie que la consicence nait lorsque des instabilités gravtationnes dans la structure de l’espace temps, ine fonction d’onde quantiquue vient vient bouleverser de petites stuctures se trouvant dans les neineoe, comme dans toute cellule vivants dites microtubules MT
Les microtubules sont très nombreux dans les neurones (dendrites, axones). Ils permettent d’acheminer divers composants soit vers les extrémités de ceux-ci . Le remodelage des MT dans les neurones est essentiel à l’établissement et au maintien de la polarité neuronale, à la croissance et au guidage des axones, à la formation et à la migration des synapses .
Mais ce jugement doit faire appel à la mécanique quantique Pour celle-ci une particule n’est qu’une probabolité dans un nuage d’autres probabilités. . Elle peut exister ici et là simultanément, jusqu’à être observée. C’est ce que l’on nomme l’effondrement dela fonction d’onde.oon ne sait pas encere ce qui proque cet effondrement.Toute une série d’intrépéationsll existent à ce sujet.
Dans les années 1980, Pernrose proposa qu’il résultait d’incompatibilié entre la mécanique quantiquuue et la Relativité Générale . Mais le champ gravitatioennel n’est jamais certain. Il est ou il n’est pas. On suggéra que chaque observation d’une particule quantique la réduisait en un état bien défini. Mais Penrose est allé plus loin.. Il suggéra que chaque effondrement qui se produisaitt dans le cerveau donnait naissance à un momrnt d’expérience consciente
C’est ici que Hameroff enra en scène. Daks les années 1970 il avait étudié les tubulines des cellules du cerveau et mpnyté leur rôle dans la division cellulaire Il avait constaté qu’elles étaient affectées par la prise de produits anesthésiant s qui provoquaient des pertes de conscience.
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entered the picture. Since the 1970s, he had been studying proteins called tubulin and the hollow, cylindrical microtubule structures they form, trying to figure out their role in cell division. Crucially, they seemed to be affected by anaesthetics, which cause loss of consciousness. This led Hameroff to posit that microtubules inside neurons could be exploiting quantum effects, somehow translating gravitationally induced wave function collapse into consciousness, as Penrose had suggested.
Quantum effectsstructure de l’espace temps, ine fonction d’onde quantiquue vient vient bouleverser de petites stuctures se trouvant dans les neineoe, comme dans toute cellule vivants dites microtubules MT
Les microtubules sont très nombreux dans les neurones (dendrites, axones). Ils permettent d’acheminer divers composants soit vers les extrémités de ceux-ci . Le remodelage des MT dans les neurones est essentiel à l’établissement et au maintien de la polarité neuronale, à la croissance et au guidage des axones, à la formation et à la migration des synapses .
Mais cejugement doit faire appel à la mécanique quantique Pour celle-ci une particule n’est qu’une probabolité dans un nuage d’autres probabilités. . Elle peut exister ici et là simultanément, jusqu’à être observée. C’est ce que l’on nomme l’effondrement dela fonction d’onde. Mais l’on ne sait pas encere ce qui proque cet effondrement.Toute une série d’intrépéationsll existent à ce sujet.
Dans les années 1980, Pernrose proposa qu’il résultait d’incompatibilié entre la mécanique quantiquuue et la Relativité Générale ; Mais le champ gravitatioennel n’est jamais incertain. Il est ou il n’est pas. Oenrose suggéra que chaque observation d’une particule quantique la réduisait en un état bien défini. Mais il est allé plus loin.. Il suggéra que chaque effondrement qui se produisaitt dans le cerveau donnait naissance à un momrnt d’expérience consciente
C’est ici que Hameroff enra en scène. Daks les années 1970 ; ol avait étud é (voir ci-dessus) les tubulines des cellules du cerveau et leur rôle dans la division cellulaire Il avait constaté qu’elles étaient affectées par la prise de produits anesthésiant s qui provoquait des pertes de conscience. De ce fait Hammeroff suggéra qu’elles houaitn un rôle dans la prise de cencince
Penrose et Hameroblièrent leurd article dit r Orch OR pape en 1996, dans l’incertitudegénérale
Ci dessous la suite en anglais
On the one hand, here was an audacious attempt to bridge the quantum and classical worlds, while explaining the origin of our moment-to-moment experience. On the other, critics complained that they had committed the fallacy of minimising mysteries: just because consciousness and quantum mechanics are both mysterious doesn’t mean that those mysteries must have a common source. And although Penrose, Hameroff and their collaborators developed the concept in more detail over the following decades, without solid experiments to back their ideas up, Orch OR remained beyond the pale of mainstream consciousness research.
Now, several groups have begun to demonstrate that it is possible to test one cornerstone of Orch OR, the idea that quantum effects could exist in the brain, and the early results are intriguing.
During my stay in Tucson, Hameroff was applying for a grant to conduct some experiments, and the results of one came out in early 2023. Aarat Kalra and Gregory Scholes, physical chemists who were both then at Princeton University, led a study into how energy – absorbed in the form of light – propagates through microtubules. They tagged these structures along their length with a fluorescent dye in order to observe this. To their surprise, energy diffused about five times further than expected according to classical calculations, suggesting a quantum phenomenon was at play in the microtubules. “It’s likely some kind of quantum resonance,” says Scholes.
Quantum effects
Remarkably, when they doused the microtubules with two general anaesthetics, etomidate and isoflurane, the diffusion length fell slightly but significantly, from 7 to 6 nanometres. “These anaesthetics do interact with microtubules, which is interesting,” says Scholes, since it would link the quantum effects to consciousness.
The trouble is this experiment was done on isolated microtubule compounds in test tubes – a far cry from the complexities of actual neurons inside brains. Physicist Max Tegmark has argued that even if quantum effects do exist somewhere in biology, the brain is too wet, warm and noisy for them to persist long enough across a sufficient number of neurons to sustain the kind of quantum processing that could plausibly explain our consciousness.
Yet there are tantalising hints that they do persist. In 2018, a team led by Na Li at Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, anaesthetised 80 mice using four different isotopes of xenon gas. By definition, isotopes are chemically identical – as they have the same number of protons in their nucleus, but a different number of neutrons – so you would expect them to have identical effects. But the isotopes that contained an odd number of neutrons in their nucleus, giving them a quantum property called “spin”, were found to be about 20 per cent weaker in their anaesthetic effects. Among other things, spin makes the nuclei act like tiny bar magnets, and in general such behaviour can only be explained using the equations of quantum mechanics. So Li and colleagues argued that their result, by implicating spin in the action of the anaesthetics, suggests that consciousness relies on quantum phenomena.
In the face of new evidence, physicists are starting to view the cosmos not as made up of disparate layers, but as a quantum whole linked by entanglement
Many remain unconvinced. “This may just be wrong,” says Hartmut Neven, vice president of engineering at Google, who in 2017 was part of a team that looked for differences in the action of neurotransmitters altered to give their atomic nuclei the quantum property of spin, and found none. Nevertheless, Neven remains sufficiently intrigued that he has assembled another team to examine the result reported by Li further, which is taking two approaches.
In the first, Luca Turin, a biophysicist at the University of Buckingham, UK, will use fruit flies to study the anaesthetic strength of different xenon isotopes. Meanwhile, neuroscientist Kenneth Kosik at the University of California, Santa Barbara, will do the equivalent test on brain organoids. These mini-brains, comprising several million cells in a ball about the same size as a lentil, are grown in a lab by mimicking what happens during the natural growth of embryos.
Brain organoids are much easier to poke and probe than a natural brain. “We have a really great recording system, with 20,000 electrodes” that monitor patterns of neural activity, says Kosik. Moreover, despite their artificial origins, the organoids are uncannily brain-like. Their neurons wire themselves up spontaneously, says neuroscientist Alysson Muotri at the University of California, San Diego. “As far we can tell, they make the connections they would do in the brain,” he says. In 2019, Muotri’s group found that brain organoids exhibit brain waves of similar complexity to electroencephalogram readings from a newborn human baby’s brain.
In other ways, they are quite different. Organoids model only one part of the brain and they aren’t embedded within a body, so don’t receive any sensory input. These differences suggest an organoid isn’t sentient. “I would say it’s not conscious – pretty firmly,” says Kosik. Muotri, however, is less sure.
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Whether or not organoids have inner experience, their electrical activity gives consciousness researchers something tangible to measure. And it is already clear that these bundles of neurons respond to anaesthetics. In 2022, Kosik and his colleagues found that diazepam – which has a sedating, anxiety-relieving effect by enhancing the effect of a neurotransmitter called GABA – made the organoids’ electrical bursts more regular. In the same year, Muotri and his group found that the electrical activity of brain organoids implanted in mice was dampened by isoflurane anaesthetic.
Kosik and others in Neven’s group plan to do much the same with xenon anaesthetic. “Let’s measure all the different activity signals that they normally look at [in brain organoids] and see how they are differentially suppressed by the different isotopes,” says Neven.
If they do confirm a difference, the challenge would be to figure out why it arises. “Where, within a biological system, is that difference being detected?” asks Kosik, who suspects it would entail some kind of quantum effectBiological computer
One possibility lies in something called a “radical pair” mechanism, which features in the poster child of quantum biology: a bird’s inbuilt compass. Here, the idea is that a chemical bond in a cell ruptures, creating a pair of chemically reactive entities known as radicals that each has an odd, unpaired electron. Electrons have the quantum property of spin and so act like bar magnets that are sensitive to Earth’s magnetic field. When these radicals eventually react, the outcome will depend on the strength and orientation of the magnetic field. The thinking is that the bird is sensitive to this in a way that allows it to tell north from south. The process is highly quantum as the radical pair electrons are entangled, which means that they act as a single quantum object, even though they are some distance apart.
In anaesthetised brains, the magnetic field that steers the outcome for the radical pairs would be generated by the xenon atomic nuclei – rather than Earth’s iron core. “It provides a way for the nuclear spin [of an anaesthetic] to influence an electron spin and then for the electron spin to influence chemical reactions,” says Christoph Simon, a physicist at the University of Calgary, Canada. In 2021, Simon and his colleagues modelled this quantum effect in computer simulations with anaesthetic xenon isotopes. Peter Hore, a chemist at the University of Oxford who studies the biological compass, deems it “interesting but very speculative”, as the model makes various uncertain assumptions.
Such a spin-dependent mechanism would be hugely consequential for medicine, as it would behove doctors to consider magnetic interactions when administering anaesthetics and other drugs. “That is our main experimental prediction,” says Simon. But it could have deep implications for how we understand the source of consciousness, too.
Europe Solidaire 