Comment le cerveau humain s'est développé

Source : Cerveau et Psycho du 08/03/2023

Comment l'évolution a façonné notre cerveau

Oui, le cerveau de ce beau parleur d'Homo sapiens est bien unique ! Mais comment a-t-il pu développer ses capacités symboliques et sa motricité hors pair ? La comparaison avec d'autres primates permet aux généticiens de commencer à le comprendre.

Langage, pensée symbolique, création artistique et technique… Des aptitudes inouïes, que seule notre espèce a développées à ce point. Mais comment expliquer leur apparition ? Quels changements génétiques ont pu les induire ? Autant d’énigmes que l’on commence à résoudre en comparant le génome et le développement embryonnaire du cerveau de notre espèce avec ceux d’autres, plus ou moins proches. Les capacités hors normes d’Homo sapiens s’expliquent déjà par la taille exceptionnelle de son cerveau par rapport à celle de son corps. Sous cet angle, il bat même l’éléphant ou le cachalot. Dans la lignée des primates qui mène à H. sapiens, le développement du cerveau connaît une progression fulgurante. Et il s’avère trois fois plus gros chez l’être humain moderne que chez ses plus proches parents actuels, le chimpanzé et le gorille ! Grâce à cette augmentation de taille, mais aussi au plissement de plus en plus marqué du cortex, sa mince couche externe où se concentrent les neurones, la capacité nerveuse du cerveau s'est spectaculairement accrue.

Une particularité dès la dixième semaine de grossesse

Mais à quels mécanismes le cerveau humain doit-il ce développement impressionnant ? À une mosaïque de changements génétiques intervenus soit dans les gènes codant pour les protéines, soit dans les régions de l'ADN qui les séparent, au niveau de courtes séquences dites HAR (pour Human Accelerated Regions) qui régulent finement leur expression. "Pour répertorier ces séquences modifiées, la démarche a consisté à repérer, parmi toutes celles qui modulent l'expression des gènes, celles qui n'ont pas changé chez les autres primates alors qu'elles ont varié dans le génome humain", précise Nicolas Narboux-Nême, du Muséum national d'histoire naturelle à Paris.

Les effets de ces bouleversements génétiques se font sentir dès la dixième semaine de grossesse. Car divers processus amplifient alors la prolifération des cellules à l'origine du cortex cérébral. Pour bien comprendre, il faut en effet se souvenir que l'embryon commence par former une première ébauche de cortex à l'extrémité antérieure du tube neural. Puis apparaissent des cellules, dites précurseurs, qui à leur tour vont engendrer les différents types de neurones qui formeront les six couches cellulaires du cortex. Or la comparaison du génome de l'être humain avec celui du chimpanzé montre que des gènes impliqués dans la formation des neurones précurseurs ont été dupliqués au cours de l'évolution menant à Sapiens. C'est le cas par exemple de ARHGAP11B et NOTCH2NL, qui codent pour deux protéines capables d'activer la prolifération de ces cellules, et n'existent chez le chimpanzé qu'en un seul exemplaire. Introduites chez la souris, ces protéines induisent un changement substantiel du cortex cérébral : une forte augmentation du nombre de neurones et, même, une amorce de plissement.

Source : Sciences et Avenir du 10/01/2022

Le cerveau humain moderne est apparu il y moins longtemps que prévu

Selon une nouvelle étude, le genre Homo, qui regroupe de nombreuses espèces éteintes (Homo Erectus, Homme de Néandertal...) ainsi que la nôtre (Homo Sapiens), n'a pas toujours eu un cerveau évolué de façon similaire au nôtre.

Le cerveau humain moderne s'est développé bien plus tard que ce que les scientifiques croyaient jusqu'à présent, soit après la première dispersion de nos ancêtres hors d'Afrique, révèle jeudi une nouvelle étude.

Le genre Homo, qui regroupe de nombreuses espèces éteintes (Homo Erectus, homme de Néandertal...) ainsi que la nôtre (Homo Sapiens), n'a donc pas toujours eu un cerveau évolué de façon similaire au nôtre.

fossiles de crânes montrant l'évolution du cerveau entre un specimen du genre homo en Géorgie (gauche) et en Indonésie (droite)

Les chercheurs ont voulu répondre à une question jusqu'ici restée mystérieuse: "Quand les structures du cerveau qui font de nous des hommes ont-elles évolué?", résume Christoph Zollikofer, paléoanthropologue à l'université de Zurich en Suisse, et l'un des co-auteurs de l'étude, publiée jeudi dans la prestigieuse revue Science.

"Les gens pensaient jusqu'ici que le cerveau proche de celui de l'homme avait évolué au tout début du genre Homo, il y a environ 2,5 millions d'années", explique-t-il à l'AFP.

Mais cette évolution a eu lieu bien plus tard, entre il y a 1,7 et 1,5 million d'années, concluent ces nouveaux travaux.

Pour parvenir à ce résultat, lui et sa collègue Marcia Ponce de Leon, auteure principale de l'étude, ont étudié de nombreux fossiles de crânes, provenant d'Afrique, de Géorgie, et de Java, en Indonésie.

Puisque les cerveaux eux-mêmes ne fossilisent pas, la seule manière d'observer leur évolution est d'étudier les marques qu'ils ont laissé à l'intérieur de la boîte crânienne.

Les scientifiques ont ainsi "scanné" les fossiles, et créé une image virtuelle de ce qui les remplissait il y a bien longtemps, comme un moulage -- ce qu'on appelle un endocaste.

Quelles caractéristiques ont-ils ensuite recherché pour déterminer la "modernité" d'un cerveau ?

Chez les humains, "certaines aires du lobe frontal sont bien plus grandes que les aires correspondantes chez les grands singes", explique Christoph Zollikofer. L'une d'elles est par exemple l'aire de Broca, associée au langage.

Cette expansion a pour effet de décaler tout ce qui se trouve derrière. "Et ce glissement vers l'arrière peut être observé sur les endocastes de fossiles au cours du temps, lorsque nous repérons les impressions laissées par les fissures des circonvolutions cérébrales."

"Ce premier résultat était une grosse surprise"

Grâce à l'étude des crânes provenant d'Afrique, les chercheurs ont pu déterminer que les plus anciens d'entre eux, datant de plus de 1,7 million d'années, présentaient en réalité un lobe frontal caractéristique des grands singes.

"Ce premier résultat était une grosse surprise", souligne le paléoanthropologue. Cela signifie que le genre Homo "a commencé avec la bipédie (l'aptitude à marcher sur deux pieds, ndlr), pas avec un cerveau moderne", résume-t-il, et que l'évolution du cerveau "n'a rien à voir avec le fait d'être bipède".

"Dorénavant, nous savons que dans notre longue histoire d'évolution (...), les premiers représentants de notre genre Homo étaient des bipèdes terrestres, avec un cerveau proche des grands singes", ajoute-t-il.

Par ailleurs, des fossiles africains plus jeunes, datant de 1,5 million d'années, ont eux révélé des caractéristiques de cerveaux humains modernes.

Cela signifie que l'évolution a eu lieu entre ces deux dates, en Afrique, selon l'étude.

Une conclusion corroborée par le fait que c'est à cette période que des outils plus complexes apparaissent, appelés acheuléens, qui ont pour particularité de présenter deux faces symétriques. "Ce n'est pas un hasard", dit M. Zollikofer, "car nous savons que les aires du cerveau qui se développent à cette période sont celles utilisées pour des manipulations complexes, comme la fabrication d'outils".

Pourquoi cette évolution est-elle survenue? L'hypothèse des chercheurs est qu'un cercle vertueux s'est installé entre les innovations culturelles, et les évolutions physiques du cerveau, les deux se stimulant en retour.

Deux migrations hors d'Afrique

Le deuxième résultat surprenant de l'étude provient des observations réalisées sur cinq fossiles de crânes retrouvés sur le site de Dmanissi, en actuelle Géorgie, et datant d'il y a entre 1,8 et 1,7 million d'années. Des exemplaires particulièrement bien conservés.

Ceux-ci se sont révélés présenter des cerveaux primitifs.

Or "les gens pensaient qu'il y avait besoin d'un gros cerveau moderne pour se disperser hors d'Afrique", explique le paléoanthropologue. "Nous pouvons montrer que ces cerveaux n'étaient ni gros, ni modernes, et que des groupes ont quand même pu quitter" ce continent.

Enfin, les fossiles provenant de Java, plus récents, présentaient eux les caractéristiques modernes. Les chercheurs pensent donc qu'il s'est produit une seconde dispersion hors d'Afrique.

En résumé, "vous avez une première dispersion de populations avec des cerveaux primitifs, puis le cerveau moderne évolue en Afrique, et ces personnes se dispersent à nouveau", jusqu'à arriver en Indonésie, dit Christoph Zollikofer.

"Ce n'est pas une hypothèse nouvelle, (...) mais pour la première fois nous avons des fossiles qui le prouvent."

Source : France24 du 08/04/2021

Les bébés australopithèques avaient une croissance cérébrale lente comme les humains

Grâce à des scanners ultraprécis de crânes et dents fossiles, des paléontologues ont découvert qu’il y a 3 millions d’années, les bébés de Lucy dépendaient plus longuement de leurs parents que les singes. Comme les bébés humains.

Il avait 2 ans et quatre mois. C’était un tout petit membre de la célèbre famille des Australopithecus afarensis, celle de Lucy, qui vivait en Afrique de l’Est il y a plus de 3 millions d’années. Les paléontologues qui l’ont découvert en 2000, sur le terrain de Dikika, en Éthiopie l’ont baptisé Selam (paix en amharique). À l’époque, il avait fait sensation, car il était - et reste - le plus vieil enfant du monde. Aujourd’hui, il refait l’actualité scientifique, avec un article paru dans ScienceAdvances. "Des analyses ultrafines du crâne et des dents de Selam viennent de révéler comment le cerveau de ces hominidés s'est développé et organisé, se réjouit aujourd’hui Zeresenay Alemseged de l'université de Chicago (États-Unis), qui dirige les fouilles de Dikika . Elles ont même permis de résoudre deux questions controversées depuis la fin des années 1970." A savoir : observe-t-on un début d’organisation cérébrale de type  humain  chez les Australopithecus afarensis ? Et la croissance de son cerveau évoque-t-elle davantage celle des chimpanzés ou celle des hommes ? "Le cerveau ne se fossilise pas, mais au fur et à mesure qu’il se développe et se dilate avant et après la naissance, les tissus entourant sa couche externe laissent une empreinte dans la boîte crânienne", précise Philip Gunz, de l’Institut Max-Planck de Leipzig (Allemagne). À partir de moulages de la voûte crânienne, les chercheurs peuvent mesurer le volume, les circonvolutions des lobes du cerveau et en déduire des aspects clés de l'organisation cérébrale (voir les images ci-dessous).

Les fossiles ont fourni des informations inédites

Le fossile a été scanné en utilisant la microtomographie au Synchrotron de Grenoble (ESRF), en France. Cette technologie de pointe a permis tout d’abord de préciser l’âge de son décès, à partir des lignes de croissance de ses dents. En l’occurrence 2 ans et 4 mois. Sept autres crânes fossiles bien conservés des sites éthiopiens de Dikika et Hadar sont passés par la tomographie classique à haute résolution. Il aura fallu pas moins de sept ans aux chercheurs pour reconstituer tout le puzzle (voir la vidéo ci-dessous). Mais les fossiles d’Australopithecus afarensis adultes et enfants les mieux préservés, croisés à des données comparatives de plus de 1600 humains et chimpanzés modernes, ont livré des informations inédites.

Contrairement à ce que l’on pensait auparavant, les empreintes endocrâniennes d’Australopithecus afarensis révèlent une organisation cérébrale semblable à celle d’un singe, sans aucune caractéristique humaine. Même si le volume cérébral était 20% plus gros que celui d’un chimpanzé. En revanche, la comparaison des volumes endocrâniens de l’enfant et de l’adulte indique que la croissance du cerveau, chez Australopithecus afarensis, était lente, prolongée, ce qui induit probablement une plus longue période d’apprentissage du jeune afarensis, un peu comme chez Homo sapiens, précisent les scientifiques dans un communiqué du Max Planck

Un sillon lunaire dans le cerveau

Une différence clé entre les singes et les humains concerne l'organisation des lobes pariétaux et occipitaux du cerveau. "Dans tous les cerveaux de grands singes, un sillon lunaire, profond, bien défini, forme une séparation entre les aires de la vision et le reste du néocortex où se jouent des processus plus complexes ", explique la coauteure Dean Falk de l’université de Floride (États-Unis), spécialiste de l'interprétation des empreintes endocrâniennes.

Ce sillon ou sulcus lunaire a disparu chez l’homme. En existait-il une version atténuée ou déplacée chez les A. afarensis ? Hypothétiquement, une telle réorganisation cérébrale aurait pu être liée à des comportements plus complexes que ceux de leurs ancêtres simiesques (par exemple, la fabrication d'outils, la mentalisation et la communication vocale). Mais jusqu’alors, les moulages ne permettaient pas de trancher. L'endocaste exceptionnellement lisible de l'enfant Dikika imprime sans équivoque un sillon lunaire de singe. De même, de nouveaux relevés tomodensitométries montrent un sulcus lunaire jusqu’alors passé inaperçu chez un fossile adulte de Hadar (Éthiopie).

Enfance prolongée

Qu’a appris la dentition - qui forme des lignes de croissance lisibles, comme chez les arbres - de Sélam, outre son âge ? Le rythme de développement dentaire du nourrisson Dikika était largement comparable à celui des chimpanzés et donc plus rapide que chez l'homme moderne précisent les scientifiques. Cependant, étant donné que le cerveau des adultes d'Australopithecus afarensis était environ 20% plus gros que celui des chimpanzés, le petit volume endocrânien de l'enfant Dikika suggère une période de développement cérébral prolongée par rapport aux chimpanzés. Plus proche de celle des humains d’aujourd’hui. Chez les primates, différents taux de croissance et de maturation sont associés à différentes stratégies de soins aux nourrissons, ce qui suggère que la période prolongée de croissance cérébrale chez Australopithecus afarensis aurait été liée à une longue dépendance à l'égard de ses parents. Une croissance lente du cerveau pourrait aussi avoir été un moyen de répartir les besoins énergétiques des petits dépendants sur plusieurs années dans des environnements où la nourriture n'est pas abondante, ni régulière. Dans les deux cas, la croissance cérébrale prolongée chez Australopithecus afarensis annonçait l’évolution d'une longue période d'apprentissage de l'enfant chez les hominidés.

Source : Sciences et Avenir du 11/04/2020