Un peu comme pour l’hominisation il y a deux semaines, je revisite ces jours-ci un autre sujet dans le cadre d’un projet d’écriture visant entre autres à mettre en valeur ces billets de blogue. Il s’agit cette fois du développement neuronal, c’est-à-dire la chorégraphie complexe permettant à nos neurones de proliférer et de se différencier au bon endroit dans notre cerveau durant les premiers mois de notre vie. Je vous livre donc cette semaine une macédoine de quelques phénomènes qui me semblent toujours étonnants quand on pense à ces premiers moments de l’histoire de notre corps et de notre système nerveux.

Le premier étonnement part du fait que nos très lointains ancêtre étaient des êtres unicellulaires et que nous sommes pour notre part des êtres multicellulaires. Or durant leur développement embryonnaire, c’est un peu comme si les multicellulaires devaient repasser par tous les stades antérieurs ayant mené jusqu’à eux. J’insiste cependant fortement ici sur le « comme si ». Parce cette idée que « l’ontogenèse qui récapitule la phylogenèse», autrement dit que le développement récapitule l’évolution, mise de l’avant par Ernst Haeckel en 1866, a fait figure de loi pendant plusieurs décennies. Mais on sait aujourd’hui que c’est beaucoup trop carré ou dogmatique comme formulation. Même s’il y a dans notre lignée évolutive lointaine des poissons ou des amphibiens, on ne peut pas discerner dans notre développement de stades correspondant précisément à celui d’un poisson ou d’un amphibien. Cela dit, c’est clair que des espèces qui partagent une même branche évolutive ont des stades précoces de leur développement qui se ressemblent. On a juste à penser à la structure de base du squelette chez tous les vertébrés qui se met en place très tôt lors de l’embryogenèse.

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Le développement étant un peu comme une recette où chaque étape dépend des précédentes, les erreurs qui surviennent tôt dans le processus ont souvent des conséquences catastrophiques pour la suite, et les individus ne vont pas survivre. Et donc ne vont pas transmettre ces mutations-là. D’où cet aspect conservateur du début du développement dans une lignée particulière. En d’autres termes, l’évolution ne fait que conserver ses bons coups, ou du moins ses coups viables. Pour le reste, c’est un bricoleur, un explorateur, un créateur de diversité ! Et ça va se voir aussi durant le développement puisque celui-ci, avec les bémols qu’on vient de mentionner, va rejouer le résultat de toutes ces explorations passées pour aboutir à énormément de types cellulaires en tout genre. Penser qu’une simple cellule comme l’ovule fécondé va être capable de donner un être humain au complet, avec toutes les sortes de cellules différentes que ça prend pour faire nos muscles, notre peau, notre sang ou nos os, ça a quelque chose de quand même assez incroyable. Sans parler de notre cerveau avec toute la diversité de ses neurones et ses milliers de milliards de connexions !

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Tous les humains comme vous et moi avons commencé par être un ovule fécondé dans le ventre de notre mère. Cette première cellule va bientôt se diviser en deux, puis en quatre, puis en huit, puis en seize. On est alors environ trois quatre jours après la fécondation et ce qu’on appelle alors la morula est en train de descendre dans les trompes utérines vers l’utérus.  Les cellules de cette petite masse sont totipotentes, c’est-à-dire que chacune d’entre elles serait encore capable de produire un être humain entier. La différenciation va commencer avec le stade suivant quand la masse va atteindre 64 à 128 cellules avec sa croissance exponentielle. Notre balle va alors former une sorte de cavité au milieu pour devenir comme un petit ballon qu’on appelle la blastula. À ce stade, des cellules vont commencer à s’accumuler à l’intérieur de la cavité contre la paroi et vont devenir pluripotentes. Ça veut dire qu’elles ne pourraient pas refaire un être humain au complet, mais qu’elles sont encore capables de se différencier en n’importe quel des 200 sortes de cellules spécialisées que l’on retrouve dans le corps humain. C’est durant ce stade, environ 6 à 8 jours après la fertilisation, que se fait l’implantation dans la paroi utérine. C’est important de rappeler ici que ces cellules ont toutes le matériel génétique humain au complet, mais chacune va commencer à exprimer certains gènes plutôt que d’autres, ce qui va les enligner vers le développement d’organes différentes. L’endoderme, la couche de cellules la plus intérieure, produira entre autres les intestins, les poumons et le foie. Le mésoderme, la couche mitoyenne, donnera naissance aux reins, aux organes reproducteurs, aux os, aux muscles et au système vasculaire. Et l’ectoderme, la couche extérieure, sera à l’origine à la fois de l’épiderme et, ce qui va nous intéresser particulièrement, de tout le système nerveux central et périphérique.

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Se développe alors un étroit cordon de cellules en provenance du mésoderme, la notocorde. C’est cette notocorde qui va jeter les bases de l’axe avant-arrière le long duquel se développera notre corps bilatéral, et qui permet de commencer à parler d’un l’embryon en tant que tel. Les cellules de la notocorde envoient ensuite un signal moléculaire aux cellules de l’ectoderme situées juste au-dessus d’elles qui va les amener à s’épaissir et former une sorte de plaque, la plaque neurale, la première structure à l’origine du système nerveux. Les bords de cette plaque neurale vont ensuite se replier vers l’intérieur, devenant ce qu’on va appeler la gouttière neurale, qui elle-même va bientôt se refermer pour former un tube neural. Et c’est à partir de ce tube que se construira la totalité du cerveau et de la moelle épinière.

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C’est là que débute vraiment la première phase de développement de nos cellules nerveuses, la prolifération. Parce que jusqu’ici, le tube neural n’était constitué que d’une seule couche de cellules. Ces cellules vont alors se mettre à se diviser plus rapidement de sorte que cette couche va s’épaissir. Cette phase de prolifération cellulaire va donc permettre d’augmenter le nombre de cellules. À cette étape-là, ces cellules souches sont devenues multipotentes, c’est-à-dire qu’elles peuvent encore donner naissance à différents types cellulaires, mais à l’intérieur d’un seul organe, ici le cerveau. Les cellules continuent donc de proliférer à un rythme qui varie le long du tube neural en fonction de la future structure cérébrale en formation. Ça devient d’ailleurs difficile maintenant de donner des repères temporels tellement il y a de choses qui se passent en même temps. Mais ce qu’on peut dire c’est qu’à de plus en plus d’endroits dans le tube neural, on va atteindre une étape qu’on appelle la détermination. C’est là que les cellules vont ni plus ni moins verrouiller leur destin, devenant des cellules unipotentes, c’est-à-dire qui ne peuvent plus produire qu’un seul type cellulaire, tout en continuant de proliférer. Une cellule souche unipotente qui se divise va par exemple donner d’une part en une autre cellule souche, et d’autre part en un précurseur neuronal qui va continuer de se diviser en formant différentes lignées neuronales. Au bout d’un certain temps, ces neurones vont être pleinement différenciés et ne subiront plus aucune division cellulaire. C’est, pour ainsi dire, leur date de naissance. Et ce sera la même chose pour l’autre grande famille de cellules qui se différencieront dans le cerveau, les cellules gliales.

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Après leur dernière mitose dans la zone ventriculaire, les nouveaux neurones entreprennent une migration qui les mènera à leur position définitive. La plupart vont migrer sur des distances appréciables à l’échelle de l’embryon. De quelques millimètres pour atteindre les méninges dans le cas du cortex des primates, à encore bien davantage pour les neurones du système nerveux périphérique qui proviennent de la crête neurale. Ces derniers vont par exemple s’orienter grâce à des molécules situées sur d’autres cellules et y adhérer temporairement pour s’aider dans leur déplacement. Dans d’autres régions comme le cortex ou le cervelet, la migration d’une grande partie de ces neurones est facilitée par des cellules gliales radiales, un type particulier de cellules gliales qui vont étendre un long prolongement de leur membrane de la zone ventriculaire jusqu’à la surface corticale. Les neurones vont ainsi pouvoir rejoindre leur destination finale en rampant le long de ces autoroutes, entraînés encore une fois par les affinités de ses molécules d’adhérence avec celles de la glie.

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Tout ça va globalement donner lieu à une chorégraphie hyper-précise qui va par exemple ici, grâce à l’interaction des cellules gliales radiales et des jeunes neurones, permettre aux 6 couches du cortex de se structurer correctement. Car contrairement aux autres cellules du corps humain, les neurones ne font pas partie de populations homogènes. Ce n’est pas, par exemple, comme une cellule bêta du pancréas qui va sécréter de l’insuline peu importe où elle est située dans le pancréas. Le développement du système nerveux pose un problème particulier puisque la position d’un neurone donné est déterminante pour sa fonction. Autrement dit, l’endroit où un neurone va se placer détermine grandement les connexions qu’il fera avec ses semblables. Mais pour les faire, ces connexions avec d’autres neurones, il va falloir que les neurones déploient leurs dendrites et leur axone, les deux attributs qui les caractérisent. Mais ça, c’est une autre (longue et complexe) histoire…