La vie est pleine de modèles. Il est courant que les êtres vivants créent une série répétitive de caractéristiques similaires à mesure qu'ils grandissent :pensez aux plumes dont la longueur varie légèrement sur l'aile d'un oiseau ou aux pétales plus courts et plus longs sur une rose.

Il s'avère que le cerveau n'est pas différent. En utilisant la microscopie avancée et la modélisation mathématique, Des chercheurs de Stanford ont découvert un modèle qui régit la croissance des cellules cérébrales ou des neurones. Des règles similaires pourraient guider le développement d'autres cellules dans le corps, et les comprendre pourrait être important pour réussir la bio-ingénierie de tissus et d'organes artificiels.

Leur étude, Publié dans Physique de la nature , s'appuie sur le fait que le cerveau contient de nombreux types de neurones différents et qu'il faut que plusieurs types travaillent de concert pour effectuer des tâches. Les chercheurs voulaient découvrir les schémas de croissance invisibles qui permettent aux bons types de neurones de s'organiser dans les bonnes positions pour construire un cerveau.

"Comment les cellules aux fonctions complémentaires s'arrangent-elles pour construire un tissu fonctionnel ?" a déclaré Bo Wang, co-auteur de l'étude, un professeur assistant de bio-ingénierie. "Nous avons choisi de répondre à cette question en étudiant un cerveau parce qu'il était communément admis que le cerveau était trop complexe pour avoir une règle de structuration simple. Nous nous sommes surpris quand nous avons découvert qu'il y en avait, En réalité, une telle règle."

Le cerveau qu'ils ont choisi d'examiner appartenait à un planaire, un ver plat d'un millimètre de long qui peut repousser une nouvelle tête à chaque fois après une amputation. D'abord, Wang et Marguerite Khariton, un étudiant diplômé dans son laboratoire, utilisé des colorants fluorescents pour marquer différents types de neurones dans le ver plat. Ils ont ensuite utilisé des microscopes à haute résolution pour capturer des images de l'ensemble du cerveau – des neurones brillants et tout le reste – et ont analysé les modèles pour voir s'ils pouvaient en extraire les règles mathématiques guidant leur construction.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que chaque neurone est entouré d'environ une douzaine de voisins similaires à lui-même, mais parmi eux se trouvent d'autres types de neurones. Cet arrangement unique signifie qu'aucun neurone n'est au même niveau que son jumeau, tout en permettant à différents types de neurones complémentaires d'être suffisamment proches pour travailler ensemble pour accomplir des tâches.

Les chercheurs ont découvert que ce schéma se répète encore et encore dans tout le cerveau du ver plat pour former un réseau neuronal continu. Co-auteurs de l'étude Jian Qin, professeur assistant en génie chimique, et le chercheur postdoctoral Xian Kong a développé un modèle informatique pour montrer que ce réseau complexe de voisinages fonctionnels découle de la tendance des neurones à se regrouper aussi étroitement que possible sans être trop proches d'autres neurones du même type.

Alors que les neuroscientifiques pourraient un jour adapter cette méthodologie pour étudier la structuration neuronale dans le cerveau humain, les chercheurs de Stanford pensent que la technique pourrait être plus utilement appliquée au domaine émergent de l'ingénierie tissulaire.

L'idée de base est simple :les ingénieurs tissulaires espèrent induire des cellules souches, le puissant, les cellules à usage général dont dérivent tous les types cellulaires, se développer dans les diverses cellules spécialisées qui forment un foie, rein ou coeur. Mais les scientifiques devront organiser ces diverses cellules selon les bons schémas s'ils veulent que le cœur bat.

"La question de savoir comment les organismes se développent en des formes qui remplissent des fonctions utiles a fasciné les scientifiques pendant des siècles, " Wang a dit. " Dans notre ère technologique, nous ne nous limitons pas à comprendre ces schémas de croissance au niveau cellulaire, mais pouvons également trouver des moyens de mettre en œuvre ces règles pour les applications de bio-ingénierie. »