Alors que l’homme partage 99% de son génome avec le chimpanzé, comment déterminer quels changements génétiques pourraient être à l’origine des particularités de l’évolution de ces deux cerveaux? Comment expliquer les capacités intellectuelles dont est doté le cerveau humain par rapport à celui de l’animal?

Nombreux sont les scientifiques qui ont tenté et tentent toujours d’élucider ce mystère. Parmi eux, à la recherche d’éléments de réponse à cette grande question, l’équipe du Pr Pierre Vanderhaeghen (ULB, VIB, KULeuven Center for brain & disease) s’est penchée sur le génome. Dans un article qui vient d’être publié dans Cell, les chercheurs montrent qu’un ensemble de gènes, uniquement présents chez l’être humain, contrôlent des étapes clé du développement du cerveau; ils pourraient ainsi en réguler la taille.

« Au cours des derniers millions d’années de notre évolution, notre cerveau a vu sa taille et sa complexité augmenter considérablement, ce qui a démultiplié les capacités cognitives de l’espèce humaine, rappelle le Pr Vanderhaeghen. Ce développement du cerveau est en grande partie dû à une augmentation du nombre de neurones dans le cortex cérébral, la partie externe du cerveau. En général, les biologistes du développement cherchent à comprendre les différences dans l’évolution des espèces en observant les changements dans la régulation des gènes, et non en observant les gènes eux-mêmes, puisque nous partageons la plus grande partie de nos gènes avec même des organismes simples comme les vers de terre. Cependant, la duplication de gènes peut conduire à l’apparition de nouveaux gènes au sein d’une espèce, ce qui pourrait contribuer à l’émergence rapide de traits spécifiques, par exemple un cortex cérébral plus volumineux. »

Si des dizaines de gènes spécifiques à l’espèce humaine ont été découverts dans le génome humain, leur rôle demeure le plus souvent inconnu. Impliqués dans cette recherche complexe des gènes responsables du développement du cerveau, les chercheurs belges se sont concentrés sur une famille bien précise de gènes appelés NOTCH2NL, dont on sait qu’ils jouent un rôle clé dans le développement des organes, y compris du cerveau. « En utilisant un modèle du développement cortical basé sur les cellules souches, poursuit le Pr Vanderhaeghen, nous avons découvert que ces fameux gènes se distinguaient par leur capacité à favoriser l’expansion des cellules souches corticales, qui produisent ainsi à leur tour plus de neurones. Au vu du rôle primordial de la voie Notch pendant la neurogenèse (NdlR : ensemble du processus de formation d’un neurone fonctionnel du système nerveux à partir d’une cellule souche neurale), nous avons émis l’hypothèse que ces fameux gènes pourraient être des régulateurs de la taille du cerveau propres à l’espèce humaine. »

Des troubles du développement du cerveau liés à une taille anormale

Quant à l’emplacement des gènes en question dans le génome, il est particulièrement remarquable, explique Ikuo Suzuki, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du Pr Vanderhaeghen : « Trois gènes NOTCH2NL spécifiques à l’humain sont situés sur le premier chromosome, dans une région qui a déjà été associée à des maladies affectant la taille du cerveau : les microdélétions génétiques qui ont lieu dans cette zone donnent lieu à des cas de microcéphalie et de schizophrénie, tandis que les microduplications donnent lieu à des cas de macrocéphalie et d’autisme. Naturellement, nous nous sommes donc demandé si ces effets pourraient être liés à cette famille de gènes« .

En analysant l’ADN de patients atteints de microcéphalie ou de macrocéphalie, des chercheurs américains ont apporté la réponse à cette question. Ils ont en effet découvert que les régions précises affectées par les délétions et duplications correspondaient de très près aux régions où se trouvent deux des gènes en question.

Et donc, comme conclut le Pr Vanderhaeghen, « prises ensemble, notre étude et celle de nos collègues américains semblent démontrer que certaines duplications de gènes spécifiques à l’humain permettent de réguler la taille et la fonction du cerveau : lorsqu’existent moins de copies des gènes NOTCH2NL, le cerveau serait plus petit, tandis qu’il serait plus grand lorsque les copies sont plus nombreuses. »

Pour ce qui est des implications à court, moyen ou long terme de ces travaux, « il s’agit avant tout d’une découverte des connaissances, nous répond le Pr Pierre Vanderheghen. Savoir d’où l’on vient est particulièrement excitant. Les implications directes en cliniques doivent clairement être envisagées à plus long terme« .

Cellules souches neurales (en vert) et cellules neuronales (en rouge) du cortex cérébral
© D.R.

Il n’existe aucune corrélation entre la taille du cerveau et l’intelligence

Qu’on se le dise, un gros cerveau n’est pas nécessairement synonyme d’une grande intelligence. Mais que sait-on au juste de la taille du cerveau? Avant tout, elle varie de manière assez significative selon les individus. « Comme il en va de la taille du corps, certaines personnes ont un petit cerveau et d’autres en ont un significativement plus conséquent, nous dit le Pr Vanderhaeghen. Mais une chose est certaine, la taille du cerveau n’est absolument pas corrélée avec l’intelligence. » La preuve notamment avec les cerveaux d’Albert Einstein, pas particulièrement imposant, ou d’Anatole France, carrément petit. Pour ne citer que deux grands hommes.

Pour autant que l’on se situe entre ces limites supérieure et inférieure, la taille n’est donc pas liée aux fonctions cérébrales particulières. En revanche, au-delà des valeurs normales, il n’en est pas de même. Lorsque la taille se situe sous la limite inférieure, on parle de microcéphalie qui, dans la majorité des cas, est associée à des troubles cognitifs, typiquement des déficiences intellectuelles.

Et quand le cerveau est plus grand que la limite supérieure – on parle de macrocéphalie -, il y a aussi des altérations cognitives. « Il existe typiquement une forte association entre une taille trop élevée du cerveau et l’autisme, même si ce n’est pas une relation univoque, nous dit le Pr Vanderhaeghen. Ce n’est en effet pas parce que l’on a une tête anormalement grosse que l’on est autiste et ce n’est pas parce que l’on présente des troubles autistiques que l’on a forcément une grosse tête. Cela signifie que, dans ce cas, le cerveau s’est connecté d’une façon anormale. Par ailleurs, on a plus de neurones, et peut-être même trop. Car il importe en effet d’avoir un juste équilibre entre l’expansion des cellules et leur différenciation, comme le montre notre étude. C’est cette balance très subtile qui, lorsqu’elle est déséquilibrée, peut entraîner des changements pathologiques ».

Les connexions en question

En ce qui concerne la croissance du cerveau, on peut distinguer deux phases importantes: avant et après la naissance.  » Au cours de la première phase, pendant la vie fœtale, on produit les cellules nerveuses dans le cortex, poursuit le chercheur. C’est typiquement l’étape qui a intéressé nos recherches.
Puis il y a la seconde étape, après la naissance, au cours de laquelle on ne génère plus de nouveaux neurones, du moins dans le cortex cérébral.On peut se demander comment dès lors se fait-il que le cerveau continue à grandir? Cela s’explique notamment par le fait que les neurones se connectent les uns avec les autres. Pour cela, des nerfs poussent afin de créer les connexions (synapses), qui prennent beaucoup de place. Cette notion est intéressante car cela signifie que, selon que l’on a une plus ou moins ou petite tête, cela peut refléter une différence dans le nombre de cellules nerveuses, mais cela peut aussi indiquer une variation dans le nombre de connexions. Et au niveau de celles-ci, tout est encore une question d’équilibre. Si ce n’est pas bon d’en avoir trop peu, il ne sert à rien d’en avoir trop, car ces déséquilibres sont associés à des pathologies« .