Les cellules du cerveau humain se développent chez les souris et elles ressentent ce que les souris ressentent

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Les scientifiques ont réussi à transplanter des groupes de neurones humains dans le cerveau de souris nouveau-nées, un exploit étonnant d’ingénierie biologique qui pourrait fournir des modèles plus réalistes pour des conditions neurologiques telles que l’autisme et servir de moyen de restaurer les cerveaux blessés.

dans étude Publiant mercredi, des chercheurs de Stanford rapportent que des amas de cellules humaines, appelées « organelles », se sont transformées en millions de nouveaux neurones et se sont connectées à leurs nouveaux systèmes neuronaux. Une fois que les organites sont attachés au cerveau des souris, les animaux peuvent recevoir des signaux sensoriels de leurs moustaches et aider à générer des signaux de commande pour diriger leurs mouvements.

Le Dr Sergio Pasca, le neuroscientifique qui a dirigé la recherche, a déclaré que lui et ses collègues utilisaient maintenant des neurones transplantés pour en savoir plus sur la biologie sous-jacente à l’autisme, à la schizophrénie et à d’autres troubles du développement.

« Si nous voulons vraiment aborder la biologie de ces conditions, nous allons avoir besoin de modèles plus complexes du cerveau humain », a déclaré le Dr Pasca.

En 2009, après une formation en médecine en Roumanie, le Dr Pasca a rejoint l’Université de Stanford en tant que chercheur postdoctoral pour apprendre comment les neurones humains sont fabriqués dans un plat. Lui et ses collègues ont prélevé des cellules cutanées sur des volontaires et les ont lavées avec des produits chimiques modifiant la personnalité. Maintenant, ils ressemblent davantage à des cellules embryonnaires, qui peuvent devenir n’importe quel tissu du corps.

Avec plus de produits chimiques ajoutés, les chercheurs ont persuadé les cellules de se développer en neurones. Ils peuvent alors surveiller les impulsions de tension qui tombent le long des neurones lorsqu’ils sont placés dans une parabole.

Le Dr Pasca et ses collègues ont de nouveau mené la même expérience, cette fois en utilisant des cellules cutanées de personnes infectées. Syndrome de TimothéeUne forme rare d’autisme causée par une seule mutation qui entraîne de graves problèmes cardiaques ainsi que des troubles du langage et des compétences sociales.

En cultivant des neurones du syndrome de Timothy dans un plat, le Dr Pasca a pu en voir un certain nombre Différences entre eux et les neurones typiques. Ils ont produit des quantités supplémentaires de produits chimiques de signalisation comme la dopamine, par exemple.

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Mais un examen unicellulaire ne peut révéler qu’un nombre limité d’indices sur la condition. Le Dr Pasca soupçonnait qu’il pourrait en apprendre davantage en étudiant les milliers de neurones qui sont interconnectés dans des circuits appelés organites du cerveau.

Une nouvelle recette chimique a permis au Dr Pasca d’imiter la condition à l’intérieur du cerveau en développement. Baignant dans ce bouillon, les cellules de la peau se sont transformées en cellules cérébrales progénitrices, qui à leur tour sont devenues un enchevêtrement de neurones situés dans les couches externes du cerveau, appelées cortex.

Dans une étude ultérieure, lui et ses collègues ont attaché trois organites : l’un composé du cortex, l’autre de la moelle épinière et un tiers des cellules musculaires. La stimulation organique du cortex a causé des cellules musculaires un collier.

Mais les organites sont loin d’être des cerveaux miniatures. D’une part, leurs neurones restent éteints. D’autre part, ils ne sont pas électriquement actifs comme les neurones normaux d’un cerveau vivant. « Il existe clairement un certain nombre de limites à ces modèles », a déclaré le Dr Pasca.

Les scientifiques ont commencé à placer des organoïdes dans des cerveaux vivants, théorisant qu’une boîte de Pétri limite la croissance des organites. En 2018, le neuroscientifique Fred Gage et ses collègues du Salk Institute for Biological Studies planté Organites du cerveau humain dans le cerveau des rats adultes. Les neurones humains ont continué à mûrir à mesure que le cerveau de la souris leur fournissait des vaisseaux sanguins.

Depuis lors, le Dr Gage et d’autres chercheurs ont implanté des organoïdes à l’arrière du cerveau, là où les souris voient les signaux de leurs yeux. Lorsque les animaux ont vu des éclairs de lumière pulsés, les neurones de l’organe humain ont réagi de la même manière que les cellules de la souris elle-même, selon étude Il a été publié en ligne en juin et n’a pas encore été évalué par des pairs.

Le Dr Pasca et son équipe travaillaient également sur les greffes d’organes, mais ont choisi de les placer chez de jeunes rongeurs plutôt que chez des adultes. Un jour ou deux après la naissance du rat, les scientifiques ont injecté un organe de la taille d’une graine de pavot dans une région du cerveau appelée cortex somatosensoriel, qui traite le toucher, la douleur et d’autres signaux provenant de tout le corps. Chez la souris, la région est particulièrement sensible aux signaux de ses moustaches.

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Les neurones humains dans le cerveau du rat ont proliféré jusqu’à atteindre environ trois millions, constituant environ un tiers du cortex d’un côté du cerveau du rat. Chaque cellule de l’organite a grandi six fois plus longtemps que dans la boîte de Petri. Les cellules sont également devenues actives comme des neurones dans le cerveau humain.

Plus surprenant encore, les organelles humaines se sont spontanément fixées dans le cerveau des souris. Ils ont pris contact non seulement avec des neurones proches, mais aussi avec des neurones distants.

Ces connexions ont rendu les neurones humains sensibles aux sens des souris. Lorsque les chercheurs ont gonflé des bouffées d’air sur les moustaches des souris, leurs organes humains ont craqué en réponse.

Le Dr Pasca et ses collègues ont également mené des expériences pour voir comment les organites affectaient le comportement des souris, en utilisant une fontaine à eau dans leur chambre.

Après 15 jours d’entraînement, les rats ont appris qu’ils pouvaient boire à la fontaine lorsque leur organe était stimulé. Les organelles humaines semblaient envoyer des messages aux régions du cerveau des souris en quête de récompense.

Ces expériences de mélange d’espèces soulèvent des questions éthiques passionnantes. Avant de commencer à travailler, le Dr Pasca a consulté des experts du Center for Law and Biological Sciences de Stanford, qui l’ont exhorté à accorder une attention particulière à la douleur et au bien-être des animaux.

« Vous n’êtes pas seulement inquiet du nombre de souris dans une cage ou de la qualité de leur alimentation », a déclaré Henry Greeley, professeur de droit à l’Université de Stanford. « C’est un nouveau genre de chose. Vous ne savez jamais ce que vous pourriez voir. »

L’équipe du Dr Pasca n’a trouvé aucune preuve que les souris aient ressenti de la douleur, soient devenues sujettes à des convulsions ou aient subi une perte de mémoire ou de contrôle de leurs mouvements. « Il s’avère que les souris tolèrent très bien la vaccination humaine », a déclaré le Dr Pasca.

Giorgia Quadrato, neurobiologiste à l’Université de Californie du Sud qui n’a pas participé à la nouvelle étude, note que les organites humains n’ont pas rendu les souris plus humaines. Aux tests d’apprentissage, par exemple, elles n’ont pas obtenu de meilleurs résultats que les autres souris.

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« Ce sont des souris et elles restent des souris », a déclaré le Dr Quadrato. « Cela devrait être rassurant d’un point de vue éthique. »

Mais cela peut ne pas être vrai si les scientifiques placent des organites humains chez des parents humains proches, comme un singe ou un chimpanzé. « Ce sera une bonne occasion de définir des lignes directrices pour l’action dans le bon cadre éthique à l’avenir », a-t-elle déclaré.

Le Dr Pasca a déclaré que la similitude entre les primates et les humains peut permettre aux choses organiques de se développer davantage et de jouer un rôle plus important dans les processus mentaux de l’animal. « Ce n’est pas quelque chose que nous pouvons faire ou encourager à faire », a-t-il déclaré.

Au lieu de cela, il utilise des organites transplantés pour étudier les troubles neurologiques. Dans une expérience, l’équipe du Dr Pasca a transplanté un organe d’un patient atteint du syndrome de Timothy d’un côté du cerveau d’un rat et a transplanté un autre organe sans mutation de l’autre côté.

Les deux organites ont été cultivés chez la souris. Mais les neurones du syndrome de Timothy développent deux fois plus de branches pour recevoir les signaux entrants, appelés dendrites. De plus, les dendrites étaient plus courtes.

Le Dr Pasca espère pouvoir remarquer des différences dans le comportement des souris lorsqu’elles transportent des organoïdes de personnes atteintes d’autisme et d’autres maladies neurodégénératives. Des expériences comme celle-ci peuvent aider à révéler comment certaines mutations modifient le fonctionnement du cerveau.

Le Dr Isaac Chen, neurochirurgien et chercheur en biologie à l’Université de Pennsylvanie qui n’était pas impliqué dans la recherche, a vu une autre possibilité dans la nouvelle étude : réparer les blessures au cerveau humain.

Le Dr Chen a imaginé des organites cérébraux se développant à partir de la peau d’un patient dont le cortex cérébral était endommagé. Une fois injecté dans le cerveau d’un patient, l’organoïde peut se développer et se connecter à des neurones sains.

« Cette idée existe certainement », a-t-il déclaré. « C’est juste une question de savoir comment en profiter et passer au niveau supérieur? »

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