Le développement du cortex

Par Patrick Pla, Université Paris-Saclay

*Coupe de cortex de souris avec la coloration de Golgi. Photo : Patrick Pla à partir de la collection histologique de la Préparation à l’Agrégation SVTU, Université Paris-Saclay.

Le néocortex est constitué de deux classes principales de neurones : les neurones glutamatergiques (excitateurs) et les interneurones GABAergiques (inhibiteurs). Les cellules glutamatergiques représentent 70 à 80 % des neurones qui peuplent le néocortex humain. La plupart d’entre eux sont des neurones pyramidaux, caractérisés par leur morphologie : un corps cellulaire conique, des arborisations dendritiques apicales et basales qui portent des épines dendritiques comme principales structures postsynaptiques excitatrices, et un axone se projetant généralement vers des cibles à longue distance. Les neurones pyramidaux qui peuplent chacune des 6 couches corticales présentent des patrons uniques d’expression génique, de morphologie et de connexions. Schématiquement, les neurones pyramidaux plus profonds (couches corticales V et VI) se projettent principalement vers les structures sous-corticales, et les neurones pyramidaux supérieurs (couches corticales II et III) se projettent principalement vers d’autres zones corticales (projections cortico-corticales), tandis que les neurones de la couche IV constituent la principale entrée d’informations en provenance des régions sous-corticales.

Les interneurones inhibiteurs GABAergiques, qui n’envoient généralement que des projections axonales locales, constituent environ 25 % des neurones du cortex humain et sont subdivisés en de nombreux types selon l’expression des gènes, la morphologie, la connectivité et les propriétés physiologiques. Ces interneurones ne sont pas générés sur place, contrairement aux neurones excitateurs. Ils sont générés ventralement à partir des éminences ganglionnaires médiales et leurs précurseurs migrent ensuite dans le cortex.

*Coupe transversale de télencéphale de souris à E12,5 montrant les origines des neurones glutamatergiques excitateurs (orange) et des neurones GABAergiques inhibiteurs (jaune). LGE = éminence ganglionnaire latérale; MGE = éminence ganglionnaire médial

Enfin, le néocortex est morcelé en de nombreuses aires corticales, chacune spécialisée dans des fonctions spécifiques, liées à leur connectivité entre elles et avec le reste du cerveau. Les neurones de différentes zones corticales présentent également des patrons distincts d’expression génique et de morphologie, ainsi que des proportions spécifiques de classes neuronales.

Les neurones (puis les cellules gliales, nous le verrons plus loin) sont générés à partir de cellules souches neuronales qui sont en fait des cellules de la glie radiaire qualifiée de apicale car leur prolongement est en contact avec la partie apicale du neuroépithélium (du côté du ventricule, c’est-à-dire de la lumière du tube neural). Ces cellules souches peuvent subir une division symétrique qui génère deux cellules souches (expansion) ou une division asymétrique où l’une des cellules reste cellule souche (auto-renouvellement) et l’autre devient un précurseur qui peut proliférer mais qui finira par se différencier (en neurone ou en cellule gliale). La régulation entre division symétrique ou asymétrique dépend de nombreux paramètres, notamment de l’orientation du fuseau mitotique et, étonnamment, de la taille des mitochondries (les cellules qui gardent des caractères de cellule souche ont de longues mitochondries tubulaires, les cellules qui perdent ces caractères ont des mitochondries plus nombreuses mais plus petites) (Iwata et al., 2021).

***La dynamique des mitochondries régule la neurogenèse pendant une période critique postmitotique. Les cellules de la glie radiaire (ou cellules souches neurales (NSC) du cortex possèdent des mitochondries tubulaires pendant l’interphase qui subissent une fission mitochondriale pendant la mitose. Après la mitose, les deux cellules filles présentent des mitochondries fragmentées. Cependant, les cellules qui subissent une fusion mitochondriale dans les prochaines heures resteront des NSC, tandis que celles qui conservent des mitochondries fragmentées deviendront des neurones. Au cours de cette période critique le sort des cellules peut être modifié en manipulant la dynamique des mitochondries. Source : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095943882100057X

Les cellules de la glie radiaire ont un cil primaire qui baigne dans le liquide céphalo-rachidien. Des études de protéomique ont montré que ce liquide a une composition qui varie au cours du temps : il est d’abord enrichi en Sonic Hedgehog (à partir de E10,5 chez la souris) puis sa concentration diminue tandis que la concentration en acide rétinoïque augmente (vers E14,5) (Chau et al., 2015). L’auto-renouvellement et la prolifération des cellules souches neurales sont dépendants de molécules présentes dans le liquide céphalo-rachidien.

**L’activation de la voie Shh élargit la population de cellules souches, en présence d’une activation de la voie Notch.
(A) Les souris Ptc1Lox/Lox;NestinCre (n = 10) présentent une activité Sonic Hedgehog élevée et constitutive dans les cellules souches neurales car on y a délété le gène codant Patched1 qui est un inhibiteur de cette voie. On génère des neurosphères à partir du cortex de ces souris (et de témoins ainsi que de souris RbpjLox/Lox;NestinCre qui ne peuvent plus activer la voie Notch dans les cellules souches neurales). La suractivation de la voie Shh aboutit à une augmentation de 8 fois du nombre de colonies de neurosphères primaires par cellule ensemencée par rapport aux témoins de la même portée. Cependant la voie Notch doit concomitamment être fonctionnelle. (B) Expansion clonale des neurosphères dérivées de cortex à E14.5. Le nombre de cellules obtenues à chaque passage a été transformé en LOG et une analyse de régression linéaire a été effectuée sur les courbes résultantes. Le taux d’expansion clonale des neurosphères est représenté par la pente de la ligne. Le nombre de cellules souches est significativement plus élevé dans les neurosphères Ptc1Lox/Lox;NestinCre par rapport aux neurosphères Ptc1Lox/Lox. Cependant, une fois de plus, la voie Notch doit pouvoir être activée. Source : https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0014680

La prolifération des cellules de la glie radiaire est aussi sous le contrôle de la signalisation calcique (McKinney et al., 2022).

***Régulation dépendante du calcium de la prolifération des cellules de la glie radiaire au cours de la corticogenèse. L’imagerie calcique et les enregistrements électrophysiologiques effectués sur des cultures de tranches corticales d’embryons de rongeur montrent que les cellules gliales radiales (RGC) dans la zone ventriculaire (VZ) présentent des augmentations de concentrations de Ca2+ spontanées et induites. La signalisation purinergique via les récepteurs métabotropiques P2Y1 initie des augmentations de concentration calcique transitoires qui se propagent à travers les cellules de la VZ grâce à des jonctions gap. IP3 est nécessaire au déclenchement de ces augmentations. Les cils primaires des RGC font saillie dans les ventricules, où ils sont exposés à des facteurs de croissance diffusibles dans le liquide céphalo-rachidien. Ces facteurs initient des augmentations de concentration en Ca2+ et influencent également la division des RGC. Enfin, la dépolarisation médiée par le GABA et le glutamate agissant respectivement sur les GABAR et les AMPAR, contrôle la prolifération en induisant des augmentations de concentration calcique via les VGCC (canaux calciques voltage-dépendants). Source : https://journals.biologists.com/dev/article/149/17/dev198853/276624/Calcium-and-activity-dependent-signaling-in-the

Le néocortex à six couches des Mammifères est généré de manière inversée. Les neurones les plus précoces occupent les couches les plus profondes et les derniers neurones produits occupent les couches les plus superficielles. Les neurones se développent par vagues de neurogenèse, migration radiale et différenciation à partir des progéniteurs gliaux radiaux de la zone ventriculaire et des cellules progénitrices intermédiaires de la zone sous-ventriculaire.

*Mise en évidence de l’ordre de production des neurones dans les couches du cortex. Les études de suivi de cohortes de prolifération marqués à des temps différents démontrent le schéma intérieur-extérieur du développement cortical cérébral. Des rats femelles gestantes reçoivent des injections de thymidine tritiée (3H) à des stades de plus en plus avancés de la gestation (E11, E13, E15). La thymidine tritiée s’incorpore dans l’ADN des cellules qui sont en réplication à ce moment-là. Lorsque les petits sont nés, on leur permet de survivre jusqu’à la maturité, puis leurs cerveaux sont traités pour révéler les cellules marquées. Les neurones qui sont issus de la prolifération au 11e jour embryonnaire se trouvent principalement dans la sous-plaque (la matière blanche sous-corticale), tandis que les neurones issus de la prolifération au jour E13 se trouvent dans les couches corticales profondes, c’est-à-dire les couches V et VI. Les neurones issus de prolifération au jour E15 se trouvent dans les couches corticales plus superficielles, c’est-à-dire IV, III et II. B. Des résultats similaires ont été obtenus chez le singe avec une chronologie plus lente ce qui permet de mieux distinguer les cohortes de nouveaux neurones. D’après https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2019.00576/full

La vitesse de prolifération des cellules souches et des précurseurs tend à ralentir au cours du temps durant le développement du cortex. Si on abolit l’expression du gène p27 qui est un inhibiteur de CDK qui « freine » la progression dans le cycle cellulaire, on obtient des couches corticales II-IV qui possèdent plus de neurones et qui sont plus épaisses (Caviness et al., 2003).

*L’absence d’un inhibiteur de CDK aboutit à des couches corticales plus épaisses. Développement du cortex à E14 (A) et P21 (B) chez des souris p27-/- (A) Photographies du cerveau antérieur d’une souris sauvage (à gauche) et d’une souris knockout p27-/- (à droite) à E14 ; la zone du cortex dorsomédial où toutes les analyses ont été effectuées est entourée d’un rectangle et est montrée à plus fort grossissement en dessous. (B) Photographies du néocortex dorsomédial mature à P21 montrant le cortex relativement plus épais chez la souris knockout p27-/- (à droite) et l’augmentation de l’épaisseur des couches supragranulaires (II-IV). Source : https://academic.oup.com/cercor/article/13/6/592/360927

Durant tout le processus, le maintien des cellules souches neurales est crucial. Les progéniteurs neurogéniques intermédiaires expriment Delta-like 1 (Dll1) et activent la voie Notch dans les cellules souches ce qui inhibe leur différenciation et les maintient dans un état de cellule souche (l’importance de cette signalisation a déjà été mise en évidence dans les expériences en parallèle avec la voie Shh plus haut). Cette communication Dll1/Notch juxtacrine se passe grâce à de longs prolongements avec lesquels les progéniteurs et les cellules souches entrent en contact (Nelson et al., 2013).

*Les cellules gliales radiaires fonctionnent à la fois comme la source et le support des neurones nouveau-nés dans le cortex en développement. Les cellules gliales radiaires apicales (aRG) ont un processus apical qui atteint la surface ventriculaire, où elles exposent leur cil primaire, ainsi qu’un processus basal qui atteint la surface corticale. Les cellules gliales radiaires basales (bRG) ont leurs corps cellulaires situés dans des zones plus basales de la paroi corticale. Les processus apicaux et basaux de ces cellules (bleu) établissent un échafaudage à travers toute la paroi corticale. Les RG subissent une division cellulaire, donnant naissance à une cellule fille qui peut être soit une autre RG (division apicale ou basale – symétrique), soit un progéniteur basal (division asymétrique, les progéniteurs intermédiaires sont représentés en orange). Ces cellules donnent naissance à des neuroblastes migrateurs (en vert) qui se déplacent le long des processus basaux des RG pour atteindre leur position finale dans les couches corticales. Les neurones des couches profondes sont d’abord générés, puis les neurones des couches supérieures voient le jour. Source : https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.578341/full
**Différents mécanismes qui contrôlent la migration radiale des nouveaux neurones dans le cortex. Les neurones changent séquentiellement leurs modes de migration. Tout d’abord, dans la zone d’accumulation de précurseurs (MAZ), ils présentent une migration multipolaire, où ils étendent et rétractent plusieurs protrusions de manière dynamique. Les cellules multipolaires prennent ensuite une morphologie bipolaire via l’activation de la N-cadhérine. La régulation du cytosquelette d’actine médiée par la N-cofiline est ensuite impliquée dans la migration radiaire des neurones dans la zone intermédiaire (IZ) puis dans la plaque corticale (CP) en utilisant les fibres gliales radiaires comme échafaudage. Enfin, lorsqu’ils arrivent dans la région la plus externe de la CP, ils passent en mode de translocation terminale, dans lequel les corps cellulaires se déplacent rapidement de manière indépendante des fibres gliales radiaires pour terminer leur migration. La signalisation de la reeline active l’intégrine α5β1 dans les neurones en migration, ce qui les fait adhérer à la fibronectine localisée dans la zome marginale superficielle (MZ) où se trouvent les cellules de Cajal-Retzius (CR cells). Les interactions LIMK1/N-cofiline et intégrine α5β1/fibronectine favorisent l’ancrage des protrusions à la MZ. Source : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5410752/

Chez le mutant de souris reeler, les nouveaux neurones sont incapables de passer par-dessus les autres pour générer des couches plus externes du cortex comme c’est le cas habituellement. La mutation a été isolée dans le gène codant la Reeline, une large glycoprotéine de plus de 3.000 acides aminés. Elle est secrétée par les cellules les plus superficielles du cortex : les cellules de Cajal-Retzius. La Reeline est perçue par les nouveaux neurones grâce à deux co-récepteurs ApoER2 et VLDLR et contrôle leur migration (Feng et al., 2007).

Les nouveaux neurones en migration présentent des oscillations de concentration intracellulaire en Ca2+ qui sont nécessaires à cette migration. Ces oscillations sont activées en partie par, d’une part, la liaison du facteur neurotrophique BDNF sur son récepteur TrkB (via IP3) et d’autre part, par la liaison du glutamate sur les récepteurs NMDA (via l’ouverture de canaux calciques voltage-dépendants) (McKinney et al., 2022).

Chez l’Homme, des mutations dans de nombreux gènes affectant la migration neuronale aboutissant à des défauts plus ou moins prononcés de la morphologie et de l’anatomie du cortex ont été caractérisées.

**Anomalies du cortex et mutations associées chez l’Homme. Les gènes indiqués sont impliqués dans la migration des précurseurs neuronaux mais peuvent aussi jouer un rôle dans d’autres étapes de leur développement. La lissencéphalie correspond à l’absence de circonvolutions (gyri), la polymicrogyrie est caractérisée par un cortex plus épais avec trop de circonvolutions. L’hétérotopie périventriculaire correspond à la présence de neurones qui n’ont pas migrer dans les couches supérieures du cortex mais qui sont restés proches des ventricules latéraux. Source : https://journals.biologists.com/dev/article/146/1/dev163766/48766/Neuronal-migration-in-the-CNS-during-development

Pour les progéniteurs qui deviennent post-mitotiques, il s’agit ensuite de se différencier dans le sous-type de neurone adéquat en fonction de la couche corticale occupée et de se brancher correctement de manière à établir des synapses fonctionnelles. FEZ Family Zinc Finger 2 (Fezf2) est un régulateur et sélecteur transcriptionnel requis pour la spécification des sous-types de neurones de projection corticospinale qui se trouvent dans la couche V (Molyneaux et al., 2005). Fezf2 active l’expression du récepteur de guidage axonal EphB1 et du transporteur vésiculaire du glutamate 1 (vGlut1) dans les neurones de projection corticospinale. Fezf2 est également nécessaire pour le développement dendritique de ces neurones. Pour ce faire, il active l’expression d’une batterie de microARN. Le cluster miR-193b et miR-365 est exprimé de manière différentielle durant le développement des neurones de projection corticospinaux en comparaison avec les neurones calleux, et ce cluster réprime l’expression de MAPK8 qui est exprimé dans les neurones projetant vers le corps calleux (Lyer et al., 2021). Le gain de fonction des miARN miR-193b et miR-365 contrôle la ramification dendritique dans les neurones de projection corticale et phénocopie la perte de fonction de MAPK8. Dans la couche V, Fezf2 inhibe également l’expression de Tbr1 qui est nécessaire pour la détermination des neurones corticothalamiques (qui se développent dans la couche VI) et celle de Satb2 qui est nécessaire pour la détermination des neurones qui projettent vers le corps calleux (Chen et al., 2008). A l’inverse, Tbr1 et Sox5 sont tous deux exprimés à des niveaux élevés dans les neurones de projection corticothalamiques dans la couche VI. Ils favorisent ce destin neuronal en réprimant directement l’expression de Fezf2 dans cette couche (Han et al., 2011; McKenna et al., 2011).

Avec plus de 80 milliards de neurones, l’humain est l’une des espèces de Mammifères possédant le plus grand nombre de neurones cérébraux (bien qu’il soit nettement inférieur en nombre à celui des éléphants et des baleines), et le néocortex affiche le plus grand nombre de neurones corticaux (environ 16 milliards) par rapport à la masse cérébrale, ainsi que par rapport à d’autres espèces de primates et de cétacés. Parmi les primates, le cortex humain contient de loin le plus grand nombre de neurones, avec environ deux fois plus de neurones que le cortex de chimpanzé et plus de dix fois plus que le cortex de macaque. Le plus frappant est que le cortex humain affiche également le nombre relatif et absolu le plus élevé de neurones pyramidaux des couches supérieures (couches II et III) par rapport aux autres espèces. Cette expansion des couches supérieures est déjà présente chez les singes et est encore élargie chez les Hominidés. Cette expansion est probablement importante dans l’évolution des circuits corticaux humains, car les neurones de la couche supérieure sont principalement impliqués dans les projections intracorticales. Leur nombre plus élevé contribue donc à des niveaux plus élevés de connectivité entre les zones corticales. Des études utilisent actuellement des comparaisons d’organoïdes corticaux produits à partir de cellules souches humaines et des cellules souches de singe pour comprendre les origines développementales des différences spécifiques à la lignée humaine. Le développement du cortex humain est plus lent mais la densité en dendrites des neurones produits est plus importante. Des études complémentaires ont montré que cela est sans doute dû à la présence de 4 gènes SRGAP2 dans la lignée humaine au lieu de un seul chez les singes proches (Schmidt et al., 2019).

Le développement des cellules gliales

Les cellules souches neuronales corticales donnent naissance tant aux neurones, qu’aux oligodendrocytes (qui forment les gaines de myéline dans le système nerveux central), qu’aux astrocytes. Les cultures de ces cellules montrent qu’elles possèdent une horloge interne qui contrôle le temps pendant lequel elles produisent des progéniteurs de neurones, puis des progéniteurs de cellules gliales (Qian et al., 2000; Shen et al., 2006). Des cellules souches neurales avec une triple potentialité puis une bipotence transitoire ont pu être cultivées : NA (neurones + astrocytes), NO (neurones + oligodendrocytes) et AO (astrocytes-oligodendrocytes). Des ligands orientant vers l’une ou l’autre voie ont été identifiés. Par exemple, le CNTF oriente fortement le destin des progéniteurs générés vers la voie astrocytaire et stimule également la prolifération des progéniteurs astrocytaires (Ravin et al., 2008). CNTF active le facteur de transcription STAT3 qui se fixe directement sur les promoteurs des gènes GFAP et S100, qui sont des gènes exprimés dans les cellules gliales. Dans les progéniteurs générés tôt dans le développement, l’ADN du promoteur de GFAP est méthylé, ainsi STAT3 ne peut pas déterminer les cellules en glie et ce sont des neurones qui sont d’abord produit avant que cette marque épigénétique inhibitrice soit enlevée (Fan et al., 2005). L’absence de l’ADN méthyltransférase de maintenance DNMT1 dans les précurseurs neuronaux aboutit à leur différenciation en astrocytes.

**Différenciation astrogliale précoce dans le cortex de souris Dnmt1-/- (qui ne maintiennent pas la méthylation de leur ADN). Immunomarquage GFAP (rouge, flèches) de la zone ventriculaire et sub-ventriculaire corticale de souris sauvage (gauche) ou Dnmt1-/- (droite) à E18.5 dans des coupes coronales (LV, ventricule latéral ; D/M, dorsal/médial ; V/L, ventral/latéral).
**Passage de la neurogenèse à la gliogenèse par remodelage de la chromatine des gènes gliaux. La méthylation de l’ADN est l’un des mécanismes clés qui bloquent l’activation et l’action de la voie JAK-STAT et la différenciation du lignage des cellules gliales pendant la période neurogène. Grâce à un processus de déméthylation de l’ADN régulé par le développement et de remodelage actif de la chromatine, la voie JAK-STAT est induite et peut agir sur l’expression des gènes astrocytaires spécifiques qui deviennent sensibles à la signalisation STAT, ce qui marque l’initiation de l’astrocytogenèse. Dans les mutants Dnmt1-/-, l’hypométhylation conduit à une activation accélérée de la voie JAK-STAT et à une chromatine des promoteurs des gènes astrocytaires favorable à une activation, raccourcissant le temps nécessaire pour atteindre le seuil d’activité STAT pour la différenciation des astrocytes, conduisant à une astrocytogenèse précoce. Source : https://journals.biologists.com/dev/article/132/15/3345/52492/DNA-methylation-controls-the-timing-of

Le timing du passage de la production de neurones à la production de cellules gliales est donc étroitement régulé et a lieu 7 jours après la naissance chez la souris et 6 mois après la naissance chez les humains. Ce changement est dépendant aux facteurs évoqués ci-dessus mais aussi à l’activation de l’expression du gène NFIA qui code un facteur de transcription. Lors de la différenciation de cellules pluripotentes humaines (cellules ES ou iPS), l’expression transitoire de NFIA d’origine exogène accélère rapidement la production de cellules gliales (Tchieu et al., 2019).

Signalons que la maturation du cortex est très lente notamment chez l’Homme et que la myélinisation, qui permet d’accélérer la conduction nerveuse au moins 20 fois, se développe jusqu’à la fin de l’adolescence pour certaines régions corticales. Le maximum de synapses est atteint vers 5 ans et le nombre de synapses décroit ensuite (Liu et al., 2012).

Régionalisation au sein du cortex

Il existe aussi des différences régionales au sein du cortex qui sont fonctionnellement importantes car les différentes aires générées ont des connectivités et des fonctions différentes. Les différences peuvent même s’observer à l’échelle de la cytoarchitecture. Par exemple, les régions consacrées au traitement de l’information sensorielle, comme le cortex visuel, ont un nombre relativement important de cellules de la couche IV, qui forment la couche d’entrée d’informations tandis que les régions importantes pour la « sortie » de l’information du cortex, comme le cortex moteur primaire, ont un grand nombre de neurones pyramidaux de la couche V et relativement peu de cellules de la couche IV.

La spécification des différentes régions du cortex est sous le contrôle d’une cascade de régulations géniques avec à leur tête des gradients de morphogène comme les FGF.

**FGF8 agit comme un morphogène pour spécifier les aires corticales. Schémas de l’hémisphère témoin de souris à E10.5 (A) et des hémisphères électroporés in utero avec un vecteur d’expression de Fgf8 postérieurement (B) ou en position. latéral-médiane (C) La source endogène de FGF8 est antérieure (vert clair) au niveau de l’ANR (Anterior Neural Ridge); le site d’électroporation est en rouge. A, cortex témoin avec polarité antéro-postérieure normale (=rostro-caudale, RC). B, Le FGF8 ectopique postérieur génère un nouvel axe R/C opposé à la polarité normale [R/C puis C/R (RCCR)]. Les zones natives Fr, S1 et V1 (Fr1, S11, V11) sont présentes, et les zones secondaires Fr2, S12 et V12 ont été induites. Toutes les zones dupliquées sont orientées vers le nouvel axe R/C, le plus évident étant S12. C, une forte source médiane-latérale de FGF8 génère un sulcus (une invagination alors qu’habituellement la surface du cortex est lisse). Un nouveau domaine rostral (domaine Fr2/3) est induit de chaque côté du sulcus (RCCR/RC). Le domaine rostral du sulcus est constitué des domaines natifs Fr1 et S11, et d’un duplicat, le S12 inversé. La partie caudale du sulcus contient Fr3, S13, V12 et A12. Fr = cortex frontal; S = cortex somato-sensoriel; V = cortex visuel; A = cortex auditif. Source : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3466079/

Les FGF sont produits dans la région la plus antérieure du système nerveux qu’on appelle l’ANR (pour Anterior Neural Ridge) (Eagleson et al., 2002). Cette région est induite chez la souris par l’endoderme viscéral antérieur (AVE), une structure extraembryonnaire qui produit aussi des FGF.

Ces gradients de morphogène se traduisent ensuite en gradients d’expression de facteurs de transcription : un gradient de Pax6 qui spécifie plutôt les régions antérieures et un gradient de Emx2 qui spécifie plutôt les régions postérieures. Les souris mutantes Pax6-/- présentent une hypertrophie des régions corticales postérieures au détriment des régions antérieures alors que c’est l’inverse pour les souris mutantes Emx2-/- (Muzio et Mallamaci, 2003).

*Expressions complémentaires de Pax6 et de Emx2 au cours du développement du cortex. Source : https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/gb-2006-7-1-202

Des études de transcriptomique et de ChiPseq ont permis de révéler les réseaux de régulation génétiques à l’oeuvre dans les cellules souches neurales de différentes régions du cortex (Ypsilanti et al., 2021).

Mise en place, maintien et modifications des connexions

Une fois les neurones générés et leur identité précisée, l’arborisation dendritique et la croissance axonale se mettent en place. Une page spéciale sur la croissance axonale sera bientôt publiée.

Une proportion importante de progéniteurs neuronaux (les estimations varient entre 20 et 60%) meurt par apoptose durant le développement embryonnaire. Des souris n’exprimant pas Apaf-1 ou la caspase 9 qui sont des activateurs de l’apoptose présentent des zones progénitrices élargies (Yoshida et al., 1998). Dans les premiers jours après la naissance, des neurones en train d’être incorporés dans les circuits meurent également (autour de 30% des neurones). Le taux d’apoptose varie selon les régions corticales, avec plus de mort cellulaire dans le cortex moteur que dans le cortex somatosensoriel par exemple (Blanquie et al., 2017).

*Exemple de quantification d’apoptose par immunofluorescence anti-caspase 3 activée (c’est-à-dire sa forme clivée) dans le cortex somatosensoriel de souris entre les jours post-nataux 2 à 10. Source : https://elifesciences.org/articles/27696

Ensuite, durant toute la vie post-embryonnaire, ce sont les synapses qui se font et se défont au gré des stimuli nerveux. Ces mécanismes contribuent à la plasticité du système nerveux. De manière plus subtile, des synapses peuvent se renforcer ou au contraire s’affaiblir.

Un exemple bien étudié d’affinement post-natal des connexions neuronales est constitué par les colonnes de dominance oculaire de la couche IV du cortex visuel. Les axones qui arrivent dans cette couche du cortex et qui apportent les informations en provenance de l’un ou de l’autre œil sont mélangés à la naissance. Progressivement, ces axones se séparent en territoires précis. Des expériences de suture d’un seul œil après la naissance chez le chat ou le singe ont montré que ce sont les stimuli en provenance de la rétine qui sont légèrement différents d’un œil à l’autre qui territorialisent les projections. Quand un œil est suturé, les projections axonales qui transmettent ces informations au cortex se réduisent tandis que celles en provenance de l’autre œil sont maintenues donc finissent par être relativement plus grandes. Ces expériences ont aussi mis en évidence l’existence d’une période critique. Ces réarrangements de projection axonale et de synapse n’ont lieu de manière significative que sur une période assez courte. Après, des réarrangements peuvent avoir lieu mais sur une échelle plus petite. Au niveau moléculaire, les réarrangements impliquent des sécrétions différentielles de facteurs neurotrophiques tels le BDNF et des expressions différentielles de molécules impliquées dans l’adhérence ou la communication juxtacrine telle les éphrines.

A un niveau d’intégration inférieur, le nombre de synapses connectées à un neurone peut changer, ce qui se traduit par une augmentation du nombre de ses épines dendritiques, c’est-à-dire les éléments post-synaptiques. La force des synapses peut être modulée ce qui peut se traduire morphologiquement par des changements de la forme des épines dendritiques. Au niveau moléculaire, par exemple, les quantités de récepteurs de neurotransmetteurs peuvent être modifiées.

Bien que des modifications aient lieu toute la vie, elles ralentissent fortement à partir de la puberté. Certaines régions du cerveau hors cortex restent néanmoins assez « plastiques », notamment l’hippocampe impliqué dans la mémorisation.

Les organoïdes corticaux

Les organoïdes sont des cultures agrégées auto-organisées dérivées de cellules souches (notamment humaines) qui génèrent des types de cellules et des propriétés organisationnelles reflétant un organe en développement. Des organoïdes corticaux ont pu être générés à partir de la fin des années 2010 avec des protocoles de plus en plus performants et leur développement suit remarquablement bien la séquence d’évènements qui ont lieu in vivo. Par exemple, les organoïdes corticaux sont d’abord composés de cellules progénitrices multipotentes précoces : cellules neuroépithéliales et cellules gliales radiaires (Subramanian et al. 2017). Les cellules progénitrices prolifèrent de manière robuste et utilisent des programmes de division qui sont très similaires au développement cortical endogène au niveau transcriptionnel (Pollen et al. 2019, Velasco et al. 2019). Des neurones excitateurs répartis en plusieurs couches et des astrocytes ont pu être obtenus (Velasco et al. 2019), de même que des oligodendrocytes qui ont formé des gaines de myéline autour des axones (Marton et al., 2019). Cependant, il existe des différences avec ce qu’il se passe in vivo. Par exemple, certains types de neurones excitateurs dérivés d’organoïdes ont une expression réduite de certains gènes marqueurs tel que SATB2 pour les neurones des couches supérieures. Autre problème, la taille des organoïdes est limitée par une mauvaise oxygénation des régions profondes où il y a hypoxie et nécrose.

Ces outils sont étudiés pour comprendre l’origine de malformations ou de maladies cérébrales mais aussi dans un objectif évo-dévo par exemple en comparant le développement d’organoïdes issus de cellules souches de chimpanzé, de gorille et d’humains (Pollen et al., 2019; Benito-Kwiecinski et al., 2021).

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Effets des résidus médicamentaux sur le développement du cerveau – INRAE

Mécanismes physiologiques et pathologiques du développement cortical – IGBMC

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