Des chercheurs de l'Institut Pasteur ont comparé la structure du cervelet et du cerveau de l’encéphale de 56 mammifères, offrant un éclairage sur l’évolution et les mécanismes du plissement cortical.
Des chercheurs ont caractérisé le plissement du cortex cérébelleux à l’aide de données provenant d’un échantillon de 56 espèces de mammifères, leur permettant de mieux comprendre la diversité et l’évolution du plissement du cervelet et son rapport avec l’anatomie du cerveau.
L’étude de l’Institut Pasteur, publiée ce jour dans la revue eLife, suggère que la taille et le plissement du cervelet sont étroitement liés à ceux du cerveau chez toutes ces espèces, et montre une quantité disproportionnée de plis sur les cervelets de plus grande taille. Par ailleurs, les dimensions des plis semblent constantes d’une espèce à l’autre, quelles que soient celles de l’encéphale.
Ces découvertes apportent un nouvel éclairage sur la diversité et l’évolution du plissement du cervelet, sur les mécanismes qui sous-tendent le plissement cortical et sur l’effet potentiel de ce dernier dans l’organisation de l’encéphale chez les différentes espèces.
Le cerveau constitue la plus grande partie de l’encéphale des mammifères et assume une multitude de responsabilités, notamment la vision, l’audition, ainsi que l’initiation et la coordination des mouvements. Plus petit, le cervelet compte toutefois davantage de neurones et joue un rôle important dans la cognition et la motricité, dont le contrôle musculaire, l’équilibre et le mouvement. Alors que le cortex cérébral est propre aux mammifères, le cervelet, lui, est présent chez tous les vertébrés. Le plissement cortical, processus par lequel la surface corticale forme des bosses et sillons, augmente considérablement le rapport surface/volume, ce qui permet de loger davantage de neurones dans un plus petit espace. Ce processus jouerait un rôle clé dans le développement, la connectivité et l’organisation du cerveau et du cervelet.
« L’étude du plissement du cortex cérébelleux est complexe en raison de la taille réduite et de l’abondance de ses folia, les petites structures en forme de feuilles situées à la surface particulièrement plissée du cervelet », explique l’auteure principale Katja Heuer, chercheuse postdoctorante à l’Institut Pasteur de Paris (France). « C’est pourquoi on en sait peu sur sa diversité et son évolution au sein des espèces. »
Pour remédier à cette situation, Katja Heuer et ses confrères ont examiné les données relatives à la structure encéphalique de 56 espèces de mammifères, dont l’Homme, afin d’explorer l’évolution du cervelet et son rapport avec le cerveau et les dimensions corporelles. Les données provenaient de plusieurs sources ouvertes, à l’instar du BigBrain Project, pour les données humaines, et de la Comparative Mammalian Brain Collection, pour de nombreuses autres espèces. Pour visualiser et segmenter les données, l’équipe a utilisé son application MicroDraw.
Les chercheurs ont développé des méthodes de mesure de la géométrie des folia cérébelleux des différentes espèces et d’estimation de l’épaisseur de la couche moléculaire du cortex cérébelleux. Ils ont également exploité les données des arbres phylogénétiques du site Web TimeTree, qui décrivent l’évolution de la descendance de chaque espèce étudiée à partir d’un ancêtre commun. Les espèces étant des points de données non indépendants en raison de leur parenté évolutive, il était crucial pour l’équipe de tenir compte des arborescences phylogénétiques. Par exemple, la variation de la structure du cervelet pourrait résulter de différents processus évolutifs, de la dérive ou de la sélection naturelle. Les chercheurs ont donc appliqué des méthodes phylogénétiques comparatives pour s’assurer que leurs analyses considèrent les relations évolutives et l’histoire de chaque espèce.
Ces méthodes ont révélé l’existence de deux groupes de phénotypes ou caractères observables, le premier marqué par des traits particulièrement « variables » d’une espèce à l’autre de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la taille corporelle, comme le poids du corps et de l’encéphale ou encore la surface et la longueur des sections cérébelleuses et cérébrales, et le second aux traits « stables », dont la comparaison a montré nettement moins de variations par rapport à la taille de l’encéphale, notamment s’agissant de la largeur des folia et de l’épaisseur de la couche moléculaire.
En retraçant l’évolution des espèces, l’équipe a observé un profil net, démontrant un changement concerté entre la taille de l’encéphale et la taille corporelle. Les primates, tels que l’Homme, n’ont pas suivi cette tendance, avec un encéphale démesuré par rapport à leur taille corporelle.
Par ailleurs, les résultats de l’étude ont confirmé la forte corrélation entre taille du cervelet et taille du cerveau et révélé une quantité disproportionnée de plis sur les cervelets de plus grande taille. De même, la largeur des plis cérébelleux est liée à l’épaisseur de la couche moléculaire. Ces profils sont très conservés chez toutes les espèces étudiées, ce qui suggère l’existence d’un mécanisme commun sous-jacent au plissement du cerveau et du cervelet chez les mammifères.
Les auteurs font savoir que l’étude présente quelques limites. En effet, son nombre relativement faible d’espèces a uniquement permis l’analyse de mesures neuroanatomiques globales. Avec davantage d’espèces, il serait possible d’examiner les variations locales voire des reconstructions 3D complètes de chaque espèce, non sans difficultés techniques, en termes de neuroanatomie computationnelle et de méthodes comparatives phylogénétiques, collaboratives et d’accessibilité des données scientifiques.
« Nos résultats permettent de mieux appréhender la nature de l’anatomie macroscopique du cervelet, le rapport de cette dernière avec l’anatomie cérébrale, sa diversité parmi les espèces de mammifères et son évolution », conclut l’auteur principal Roberto Toro, directeur de recherche à l’Institut Pasteur et responsable de l’unité Neuroanatomie appliquée et théorique. « Ils nous laissent entendre que le plissement du cervelet et du cerveau suit le même processus. Dans les deux structures, ce plissement conduirait à la formation de modules neuroanatomiques fortement conservés et mécaniquement canalisés, susceptibles de jouer un rôle majeur dans leur organisation fonctionnelle. »
Coupes coronales du cervelet de toutes les espèces analysées, à la même échelle.
Ce jeu de données est disponible en ligne à des fins de visualisation et d’annotation interactives, à l’adresse suivante : https://microdraw.pasteur.fr/project/brainmuseum-cb