Un atlas détaillé de la croissance cérébrale chez la souris offre un aperçu du développement cérébral

La croissance et la maturation du cerveau ne progressent pas de manière linéaire et par étapes. Il s’agit plutôt d’une séquence dynamique et chorégraphiée qui change en réponse à la génétique et à des stimuli externes comme la vue et le son. Il s’agit de la première courbe de croissance à haute résolution expliquant les changements dans les types de cellules cérébrales clés dans le cerveau de souris en développement, dirigée par une équipe du Penn State College of Medicine et de l’Allen Institute for Brain Science.

À l’aide de techniques d’imagerie avancées, les chercheurs ont construit une série d’atlas 3D qui ressemblent à des cartes accélérées du cerveau au cours de ses deux premières semaines après la naissance, offrant un aperçu sans précédent d’une période critique du développement cérébral. C’est un outil puissant pour comprendre le développement sain du cerveau et les troubles neurodéveloppementaux, ont expliqué les chercheurs.

L’étude, publiée dans Communications naturellesa également détaillé comment les régions du cerveau changent de volume et a expliqué le changement de densité des types de cellules clés en leur sein.

“La résolution des courbes de croissance cérébrale existantes est médiocre, comme une photo floue. Nous avons créé une courbe de croissance cérébrale à la résolution de cellules individuelles. C’est comme une photo haute définition où les détails apparaissent nets et nets”, a déclaré Yongsoo Kim, professeur de neurosciences et de thérapeutique expérimentale au Penn State College of Medicine et auteur principal de l’article.

Le cerveau de la souris est un modèle mammifère du cerveau humain, avec une chimie cérébrale et des circuits neuronaux similaires conservés entre les deux. Cette phase postnatale précoce chez la souris équivaut à peu près à la période de développement cruciale entre la fin de la grossesse et la petite enfance chez l’homme, ont expliqué les chercheurs. Non seulement le cerveau mûrit rapidement pendant cette fenêtre, mais c’est également à ce moment-là qu’il commence à réagir et à s’adapter aux stimuli externes comme la vue et le son, déterminant l’endroit où le cerveau se développe en volume et la façon dont le cerveau est câblé.

“C’est également à ce moment-là que de nombreux troubles du développement neurologique, comme les troubles du spectre autistique, commencent à se manifester. Ces troubles peuvent provenir de facteurs de risque à la fois génétiques et environnementaux, mais si un problème apparaît au début de la phase postnatale, il peut se propager à mesure que le développement du cerveau se poursuit”, a déclaré Kim. “Les zones où l’expansion est la plus rapide sont probablement les plus vulnérables.”

Les chercheurs ont capturé des images de l’ensemble du cerveau de la souris tous les deux jours, du quatrième au deuxième jour postnatal, pour créer la courbe de croissance 3D haute résolution. Ils ont utilisé une tomographie en série à deux photons, une technique d’imagerie avancée qui scanne l’ensemble du cerveau avec des détails microscopiques. Cette technique permet aux chercheurs de visualiser des cellules individuelles à leur emplacement précis dans le cerveau.

La croissance n’est pas uniforme dans l’ensemble du cerveau, selon les chercheurs. Ils ont constaté que le cervelet augmentait de volume le plus au début de la période postnatale. Il s’agit de la partie du cerveau située à l’arrière de la tête qui affine les mouvements, coordonne l’équilibre et participe à certaines fonctions cognitives.

Les chercheurs ont également étudié deux types de cellules spécifiques qui jouent un rôle clé dans la formation des circuits qui transmettent et traitent les informations dans le cerveau. Ils ont suivi l’évolution de la densité de ces types de cellules dans différentes régions du cerveau afin de mieux comprendre la trajectoire normale de développement du cerveau.

Les neurones GABAergiques sont des cellules nerveuses inhibitrices qui agissent comme des freins dans le cerveau et jouent un rôle clé dans la communication dans le cerveau. Kim a expliqué que les troubles du développement neurologique sont souvent associés à des systèmes de freinage défectueux. C’est pourquoi l’équipe a voulu voir comment les types de cellules GABA se peuplent dans le cerveau.

Ils ont observé que la densité des neurones GABAergiques diminuait de manière significative dans le cortex, la région la plus externe du cerveau, se stabilisant vers le 12e jour postnatal. En revanche, la densité de ces neurones augmentait nettement dans le striatum, une structure du cerveau profond impliquée dans le mouvement et la récompense. Les résultats suggèrent que le développement et la population de ces cellules sont dynamiques et se poursuivent après la naissance.

Le deuxième type de cellules qu’ils ont examiné est la microglie, les cellules immunitaires du cerveau. Kim a décrit ces cellules comme étant semblables à celles des jardiniers. Leur rôle principal au cours du développement est d’élaguer les cellules et les connexions inutiles, de façonner et d’affiner le câblage du cerveau.

Les microglies ont également montré un changement frappant. Jusqu’au huitième jour postnatal, ces cellules sont fortement peuplées dans la substance blanche du cerveau, un tissu constitué de vastes réseaux de fibres nerveuses qui facilitent la communication entre les différentes parties du cerveau. Vers le dixième jour postnatal, la population de microglies dans la substance blanche diminue considérablement et commence à se développer dans la matière grise du cerveau, composée principalement de cellules nerveuses.

Les microglies semblent également peupler de manière plus dense les zones qui traitent les informations sensorielles au moment où les yeux et les oreilles des souris commencent à s’ouvrir. Bien que Kim ait déclaré ne pas encore connaître la signification de ce changement, cela suggère que les microglies pourraient s’engager dans la maturation cérébrale en réponse à des stimuli externes ressentis après la naissance, comme la vue et l’ouïe.

L’équipe a également créé une version interactive et accessible au public des atlas et des courbes de croissance pour faciliter le partage de données et la collaboration.

“La véritable signification de cet article est que nous fournissons un cadre spatial permettant à d’autres personnes de commencer à effectuer des analyses intégratives de plus haut niveau, combinant des données moléculaires, cellulaires et spatiales pour fournir une image plus complète du cerveau et du développement”, a déclaré Kim.