Les chercheurs ont développé une réplique 3D d’un cerveau dans un laboratoire et ont reproduit avec succès sa forme ridée et pliée. La nouvelle étude publiée dans Nature Physics a peut-être enfin répondu à la question de longue date de la formation des plis de notre cerveau, le processus semblant davantage déterminé par les lois de la physique que par les forces motrices de la biologie.

La raison pour laquelle notre cerveau a une structure plissée est claire du point de vue de l’évolution: Les cerveaux repliés raccourcissent la distance sur laquelle les différentes sections doivent communiquer. De plus, le pliage permet à une plus grande partie du cortex, la couche externe du cerveau, de s’insérer dans un crâne humain. À mesure que nous devenons adultes, le volume du cerveau augmente de 20 fois, mais la surface – grâce à ces plis – augmente de 30 fois.

Sans ces plis, nos capacités cognitives seraient considérablement limitées. Alors que nous savons donc que l’origami organique de notre cerveau a un « but » distinct, la façon dont ces plis apparaissent en premier lieu a été beaucoup moins claire. Mais une équipe de chercheurs de l’Université Harvard soupçonnait qu’il pourrait y avoir un mécanisme assez simple et non biologique derrière le développement des plis, des rainures (sulci) et des crêtes (gyri) – un processus connu sous le nom de gyrification.

Afin de tester cette théorie, une réplique imprimée en 3D à base de gel d’un cerveau a été produite, basée sur des scanners d’imagerie par résonance magnétique (IRM) d’un cerveau fœtal réel. Encore lisse et déplié, ce modèle a été recouvert d’une deuxième couche d’un millimètre d’épaisseur (0,04 pouce) de gel élastomère, un matériau analogue au cortex, et placé dans un solvant particulier.

Le développement du « cortex » de la réplique du cerveau fœtal. Les résultats de l’étude sont une évidence, vraiment. Mahadevan Lab /Harvard SEAS

En quelques minutes seulement après avoir été immergé, le gel élastomère a rapidement absorbé le solvant, le faisant sortir du gel sous-jacent. Pour qu’il reste attaché au gel sous-jacent, le gel en expansion a commencé à se contracter et à se boucler mécaniquement, se repliant sur lui-même. Le résultat final ressemblait remarquablement au schéma de sulci observé sur un vrai cerveau fœtal.

Les théories précédentes sur les processus moteurs de la gyrification étaient plus axées sur la biologie, avec une idée importante étant que les plis sont induits par des signaux biochimiques provenant du cerveau, ce qui provoque par la suite l’expansion et la contraction du cortex. Cela permettrait à certaines régions du cerveau hautement prioritaires d’être mieux connectées que d’autres.

Cependant, cette étude implique que les processus physiques, plutôt que biologiques, déterminent en grande partie le schéma de pliage de notre cerveau. Il est essentiel de comprendre les premiers stades du développement du cerveau pour que les chercheurs découvrent la genèse d’une gamme de troubles cérébraux neurodéveloppementaux, y compris l’anencéphalie, dans laquelle les fondations cérébrales précoces d’un fœtus commencent à se former de manière incorrecte.

« Les cerveaux ne sont pas exactement les mêmes d’un humain à l’autre, mais nous devrions tous avoir les mêmes plis majeurs pour être en bonne santé », a déclaré Jun Young Chung, chercheur postdoctoral à l’Université Harvard et coauteur de l’étude, à la Harvard Gazette. « Nos recherches montrent que si une partie du cerveau ne se développe pas correctement ou si la géométrie globale est perturbée, il se peut que nous n’ayons pas les principaux plis au bon endroit, ce qui peut provoquer un dysfonctionnement du cerveau. »