Les axolotls peuvent régénérer leur cerveau – Ces adorables salamandres contribuent à percer les mystères de l’évolution et de la régénération du cerveau

Comment font-ils ?

Les axolotls sont un organisme modèle que les chercheurs utilisent pour étudier divers sujets en biologie. Ruben Undheim/Flickr, CC BY-SA

L’axolotl (Ambystoma mexicanum) est une salamandre aquatique réputée pour sa capacité à régénérer sa moelle épinière, son cœur et ses membres. Ces amphibiens fabriquent également facilement de nouveaux neurones tout au long de leur vie. En 1964, des chercheurs ont observé que les axolotls adultes pouvaient régénérer des parties de leur cerveau, même si une grande section était complètement enlevée. Mais une étude a révélé que la régénération du cerveau des axolotls a une capacité limitée à reconstruire la structure originale des tissus.

Alors, dans quelle mesure les axolotls peuvent-ils parfaitement régénérer leur cerveau après une blessure ?

En tant que chercheur étudiant la régénération au niveau cellulaire, je me suis demandé, avec mes collègues du laboratoire Treutlein de l’ETH Zurich et du laboratoire Tanaka de l’Institut de pathologie moléculaire de Vienne, si les axolotls étaient capables de régénérer tous les différents types de cellules de leur cerveau, y compris les connexions reliant une région du cerveau à une autre. Dans l’étude que nous venons de publier, nous avons créé un atlas des cellules qui composent une partie du cerveau de l’axolotl, ce qui a permis d’éclairer à la fois la façon dont il se régénère et l’évolution du cerveau entre les espèces.

Pourquoi étudier les cellules ?

Les différents types de cellules ont des fonctions différentes. Ils sont capables de se spécialiser dans certains rôles car ils expriment chacun des gènes différents. Comprendre quels types de cellules se trouvent dans le cerveau et ce qu’elles font permet de clarifier l’image globale du fonctionnement du cerveau. Cela permet également aux chercheurs de faire des comparaisons au cours de l’évolution et d’essayer de trouver des tendances biologiques entre les espèces.

L’une des façons de comprendre quelles cellules expriment quels gènes est d’utiliser une technique appelée séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNA-seq). Cet outil permet aux chercheurs de compter le nombre de gènes actifs dans chaque cellule d’un échantillon particulier. Cela fournit un “instantané” des activités de chaque cellule au moment où elle a été prélevée.

Cet outil a permis de comprendre les types de cellules qui existent dans le cerveau des animaux. Les scientifiques ont utilisé le scRNA-seq chez les poissons, les reptiles, les souris et même les humains. Mais il manquait une pièce majeure du puzzle de l’évolution du cerveau : les amphibiens.

Cartographie du cerveau de l’axolotl

Notre équipe a décidé de se concentrer sur le télencéphale de l’axolotl. Chez l’homme, le télencéphale est la plus grande division du cerveau et contient une région appelée néocortex, qui joue un rôle clé dans le comportement animal et la cognition. Au cours de l’évolution récente, le néocortex a massivement augmenté en taille par rapport aux autres régions du cerveau. De même, les types de cellules qui composent le télencéphale se sont fortement diversifiés et complexifiés au fil du temps, ce qui fait de cette région un domaine d’étude intéressant.

Nous avons utilisé scRNA-seq pour identifier les différents types de cellules qui composent le télencéphale de l’axolotl, y compris différents types de neurones et de cellules progénitrices, ou cellules qui peuvent se diviser en d’autres cellules ou se transformer en d’autres types de cellules. Nous avons identifié les gènes qui sont actifs lorsque les cellules progénitrices se transforment en neurones, et nous avons constaté que beaucoup d’entre elles passent par un type de cellule intermédiaire appelé neuroblastes – dont l’existence était jusqu’alors inconnue chez les axolotls – avant de devenir des neurones matures.

Nous avons ensuite mis la régénération de l’axolotl à l’épreuve en retirant une section de son télencéphale. Grâce à une méthode spécialisée de scRNA-seq, nous avons pu capturer et séquencer toutes les nouvelles cellules à différents stades de la régénération, de une à douze semaines après la blessure. En fin de compte, nous avons constaté que tous les types de cellules qui avaient été retirés avaient été complètement restaurés.

Nous avons observé que la régénération du cerveau se déroule en trois phases principales. La première phase commence par une augmentation rapide du nombre de cellules progénitrices, et une petite fraction de ces cellules active un processus de cicatrisation. Dans la deuxième phase, les cellules progénitrices commencent à se différencier en neuroblastes. Enfin, au cours de la troisième phase, les neuroblastes se différencient pour former les mêmes types de neurones que ceux qui ont été perdus à l’origine.

Étonnamment, nous avons également observé que les connexions neuronales rompues entre la zone enlevée et d’autres zones du cerveau avaient été reconnectées. Ce recâblage indique que la zone régénérée avait également retrouvé sa fonction initiale.

Amphibiens et cerveaux humains

L’ajout des amphibiens au puzzle de l’évolution permet aux chercheurs de déduire comment le cerveau et ses types de cellules ont évolué au fil du temps, ainsi que les mécanismes de régénération.

Lorsque nous avons comparé nos données sur l’axolotl avec celles d’autres espèces, nous avons constaté que les cellules de son télencéphale présentaient de fortes similitudes avec l’hippocampe des mammifères, la région du cerveau impliquée dans la formation de la mémoire, et le cortex olfactif, la région du cerveau impliquée dans l’odorat. Nous avons même trouvé des similitudes entre un type de cellule d’axolotl et le néocortex, la zone du cerveau connue pour la perception, la pensée et le raisonnement spatial chez les humains. Ces similitudes indiquent que ces zones du cerveau pourraient être conservées au cours de l’évolution, ou rester comparables au cours de l’évolution, et que le néocortex des mammifères pourrait avoir un type de cellule ancêtre dans le télencéphale des amphibiens.

Percer le mystère de la régénération de l’axolotl pourrait permettre d’améliorer les traitements médicaux des blessures graves. Amandasofiarana/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Si notre étude jette un éclairage sur le processus de régénération du cerveau, notamment sur les gènes impliqués et sur la manière dont les cellules finissent par devenir des neurones, nous ne savons toujours pas quels signaux externes déclenchent ce processus. De plus, nous ne savons pas si les processus que nous avons identifiés sont encore accessibles aux animaux qui ont évolué plus tard dans le temps, comme les souris ou les humains.

Mais nous ne sommes pas seuls à résoudre l’énigme de l’évolution du cerveau. Le laboratoire Tosches de l’université Columbia a étudié la diversité des types de cellules chez une autre espèce de salamandre, Pleurodeles waltl, tandis que le laboratoire Fei de l’Académie des sciences médicales de Guangdong, en Chine, et des collaborateurs de la société de sciences de la vie BGI ont étudié la disposition spatiale des types de cellules dans le cerveau antérieur de l’axolotl.

L’identification de tous les types de cellules dans le cerveau de l’axolotl ouvre également la voie à des recherches innovantes en médecine régénérative. Le cerveau des souris et des humains a largement perdu sa capacité à se réparer ou à se régénérer. Les interventions médicales pour les lésions cérébrales graves se concentrent actuellement sur les thérapies médicamenteuses et les thérapies à base de cellules souches pour stimuler ou favoriser la réparation. L’examen des gènes et des types de cellules qui permettent aux axolotls d’accomplir une régénération presque parfaite pourrait être la clé pour améliorer les traitements des lésions graves et débloquer le potentiel de régénération chez l’homme.

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Source : The Conversation – Traduit par Anguille sous roche