Pourquoi vous ne pouvez pas apprendre sur le cerveau humain des singes, des rats et des souris
Une grande partie des dépenses de recherche en neurosciences et des publications concerne des études réalisées sur des rats, des souris et des singes. Les résultats de ceux-ci sont généralement présentés comme universellement représentatifs du fonctionnement du cerveau à travers les espèces. Certes, tous les cerveaux de mammifères présentent des similitudes structurelles et fonctionnelles, et ces systèmes fournissent des informations sur la nature des processus cellulaires. De plus, au moins morphologiquement, les neurones se ressemblent. Tout cela peut être extrêmement utile pour expérimenter des techniques et comprendre des concepts généraux. Mais extrapoler des résultats spécifiques de ces créatures aux humains peut être trompeur.
Il est évident pour tout le monde que le cerveau humain produit plus de capacités uniques que les autres espèces. La question est de savoir à quel niveau ces différences se manifestent et où nous devons tracer les limites de l’extrapolation.
Approches au niveau cellulaire pour comprendre le fonctionnement du cerveau
Il y a trois grands domaines d’étude de la fonction cérébrale au niveau cellulaire : l’expression des gènes, qui dicte la boîte à outils moléculaire et les composants que la cellule construit et utilise pour former des connexions et moduler son activité, la plasticité synaptique, qui examine comment les neurones se connectent et modifient la nature de leurs connexions en réponse à des stimuli. et l’activité de pointe – les types de modèles temporels qu’il produit en réponse à un stimulus ou en association avec des comportements.
L’étude de la plasticité synaptique et des modèles de stimulation des neurones est extrêmement invasive et nécessite un accès direct aux tissus. La plupart des expériences sont réalisées en extrayant des tissus du cerveau de souris et de rats et en les cultivant dans une boîte. Celles-ci sont appelées expériences in vitro , c’est-à-dire faites dans un plat, et nécessitent le sacrifice de l’animal. Une autre approche consiste à ouvrir ou à percer des trous dans le crâne de souris, de rats ou de singes pour placer des électrodes ou délivrer du matériel génétique qui produit des molécules (par exemple, celles qui sont fluorescentes) qui permettent l’imagerie cellulaire. Dans ce cas, vous pouvez étudier l’activité des cellules et des tissus in vivo ou pendant que l’animal est éveillé et se comporte. Cependant, ni l’activité synaptique ni le pic neuronal ne peuvent être facilement étudiés chez l’homme, à moins qu’ils ne subissent une chirurgie cérébrale dans un autre but et qu’ils ne consentent à un sondage expérimental qui comporte naturellement des risques. L’expression des gènes, en revanche, est plus facilement étudiée à travers les espèces à l’aide d’échantillons de tissus post-mortem et est étroitement liée à la plasticité synaptique et à la décharge de pointe.
Expression des gènes dans le cerveau humain par rapport à d’autres espèces
Le cerveau humain exprime un répertoire de gènes beaucoup plus large que toute autre espèce. Une étude montre jusqu’à 2014 gènes qui sont exprimés différemment dans le cerveau humain par rapport au cerveau des chimpanzés (Khaitovich et al). De plus, ces gènes sont répartis dans tous les processus cellulaires connus, de la différenciation et du développement neuronaux à la transmission synaptique et à la transduction du signal, et même aux processus métaboliques. C’est une forte indication que les cellules ont des différences assez globales dans leur fonctionnement. Il convient également de noter les résultats de l’Institut Allen sur les différences d’expression génique entre la souris et l’homme. Ils ont constaté que les modèles d’expression génique associés à diverses maladies chez l’homme, telles que la maladie d’Alzheimer, ne sont pas observés chez la souris, ce qui suggère que c’est l’une des raisons pour lesquelles les médicaments qui fonctionnent pour le cerveau des souris ne fonctionnent souvent pas chez l’homme.
Il est intéressant de noter que Khaitovich et al (le groupe de Svante Paabo) ont également trouvé une certaine diversité chez les humains, affirmant que les différences entre les régions du cerveau au sein d’un individu étaient bien moindres que les différences entre les individus. Une autre étude plus récente (en savoir plus ici) montre que les neurones individuels modifient en fait leurs gènes et peuvent donc avoir des modèles d’expression très différents d’une cellule à l’autre. Enfin, le comportement ou le contexte environnemental peuvent modifier les modèles d’expression des gènes (en savoir plus ici). Ces nombreuses sources de diversité cellulaire et la plus grande diversité d’expériences entre les humains par rapport aux autres espèces ajoutent une autre couche de complexité.
Tout cela signifie que le cerveau est fondamentalement différent et extrêmement diversifié chez les humains par rapport aux autres espèces. Ce qui fonctionne pour les souris et les singes n’est probablement pas susceptible de fonctionner pour les humains et ce qui fonctionne pour une personne peut même ne pas fonctionner pour une autre.
L’histoire de la glie
La grande histoire qui pourrait émerger, cependant, est que les plus grandes différences ne se trouvent pas dans les neurones, qui sont les cellules impliquées dans la signalisation électrique rapide, mais dans la glie. Les cellules gliales sont près de 1,4 fois plus nombreuses que les neurones dans le cerveau humain, mais on a longtemps pensé qu’elles ne jouaient qu’un rôle de ménage. Une étude du laboratoire Nedergaard a cependant montré que les astrocytes humains (un type de cellule gliale) ont un diamètre 2,6 fois plus grand, étendent 10 fois plus de processus chez l’homme et se présentent sous des sous-types beaucoup plus complexes que chez la souris. Ils propagent également les ondes Ca2+ 4 fois plus vite que celles des souris. Des études menées dans le laboratoire de Ben Barres montrent que la glie joue un rôle plus important et plus actif dans la modulation du comportement des neurones qu’on ne le pensait auparavant. Le plus intéressant de ces résultats, cependant, est que les astrocytes humains réagissent beaucoup plus vigoureusement au glutamate que les souris (Zhang et al). Le glutamate est la molécule de signalisation neuronale la plus omniprésente dans le cerveau, ce qui suggère que la glie pourrait avoir un rôle plus important à jouer dans la formation de la dynamique électrique du cerveau humain.
Compte tenu de ces différences entre les cellules gliales humaines et celles de souris, il n’est peut-être pas surprenant que là où l’expression des gènes diffère le plus entre la souris et les humains, c’est dans la glie et non dans les neurones. Une étude menée par Hawrylycz et al de l’Institut Allen montre des différences plus importantes entre l’expression des gènes non neuronaux, Zhang et al (laboratoire Barres) ont montré de grandes différences dans l’expression génique des astrocytes chez la souris et l’homme, et le laboratoire Pavlidis a observé que les modèles d’expression génique entre les neurones et les oligodendrocytes (un autre type de cellule gliale) étaient en fait échangés.
Ces résultats suggèrent que les cellules cérébrales humaines peuvent se comporter de manière totalement différente. On pourrait imaginer l’analogie selon laquelle l’étude d’un type d’atome pour déduire les propriétés d’un autre n’est peut-être pas tout à fait la meilleure approche, et par analogie, l’étude des neurones d’un type d’animal pour déduire quelque chose à propos d’un autre. Cela rend une approche ascendante extraordinairement compliquée et jette un doute énorme sur la pertinence pour les humains de la plupart des résultats de la physiologie obtenus à partir d’autres espèces.
Que faisons-nous à partir de maintenant ?
Une grande partie de la recherche animale a ses racines dans un cadre réductionniste qui postule que pour comprendre un système, il faut connaître la fonction et le comportement de ses éléments. On peut alors en déduire le comportement global du système. Si nous devions souscrire à un tel cadre, alors, compte tenu de ce que nous savons des différences entre les animaux et les humains, nous devrions entreprendre la tâche colossale de comprendre non seulement un neurone chez un humain, mais des milliards de neurones et de cellules gliales qui sont potentiellement génétiquement uniques chez chaque humain. La tâche est techniquement colossale.
Et bien sûr, il y a la question de savoir si une approche ascendante est même la bonne voie pour ce que nous voulons accomplir dans notre compréhension du cerveau humain. Considérez que lorsque nous voulons comprendre les propriétés d’un matériau qui décrivent sa nature et son utilité, ce qui compte, ce sont ses macro-caractéristiques telles que la couleur et la dureté. Nous ne cherchons pas à les prédire en mesurant les spins des électrons de chaque atome et leurs énergies de liaison (ce qui pourrait bien fonctionner de temps en temps, mais serait à la fois excessivement coûteux et techniquement difficile), mais plutôt à rechercher différents outils de mesure au niveau du système qui sont beaucoup plus faciles et, en fin de compte, plus informatifs sur le plan pratique. Fondamentalement, cela se résume à ce que nous essayons d’accomplir et à la façon dont nous voulons que la science contribue à la compréhension et au soin du cerveau humain par l’humanité.