Une avancée importante dans la compréhension de l’origine de l’homme

reçu le soutine de la fondation CNRSéé

les vésicules étant spécifiques des cellules qui les produisent. Elles pourraient aussi contribuer à perfectionner des protocoles de thérapies géniques – dont le but est d’introduire du matériel génétique dans des cellules dysfonctionnelles – et de thérapies ciblées qui visent à détruire des cellules cancéreuses. En effet, « les vésicules extracellulaires agissent comme des véhicules biologiques qui permettent le transport de biomolécules entre cellules, explique Grégory Lavieu, biologiste et directeur d’une équipe de recherche labellisée Inserm à l’université Paris Cité. Elles acheminent ainsi des protéines, des lipides ou du matériel génétique d’une cellule donneuse vers une cellule receveuse. » Le relargage du contenu vésiculaire peut alors modifier le comportement et les propriétés des cellules receveuses. Ces caractéristiques des vésicules extracellulaires pourraient donc être exploitées pour acheminer des substances actives de façon ciblée à certains tissus et cellules de l’organisme.

[English summary] L’origine de l’homme est une question importante, une des plus passionnantes scientifiquement. Les travaux sur cette question sont essentiellement des travaux de paléontologie, d’une part, et des travaux de paléogénomique d’autre part. Les premiers permettent d’exhiber l’historique de l’anatomie humaine dans les archives paléontologiques, les seconds permettent de mettre en évidence le moteur moléculaire qui a poussé les humains vers leur forme actuelle, en modifiant le génome humain aléatoirement. L’idée que l’homme est apparu quelque part en Afrique par hasard a reçu le nom de East side story ou West side story, par référence à la vallée du Rift, et suivant que l’on admet une apparition à l’est ou à l’ouest de cette faille.

Cependant, depuis longtemps une autre école existe, celle de l’Inside story, qui avance l’idée que l’évolution de l’homme est à chercher à l’intérieur de l’homme lui-même. Selon certains paléontologues, des contraintes mécaniques au développement existeraient, qui canaliseraient l’évolution et rendraient quelque chose comme un humain inévitable, dans le long terme.

Comme en matière d’évolution, l’expérimentation est difficile voire impossible, cette hypothèse est restée marginale, en l’attente d’une preuve expérimentale. Si l’évolution des préhominiens dans les 7 derniers millions d’années, ne peut être expérimentée, la biomécanique du développement elle, est accessible expérimentalement.

La revue Scientific Reports publie ce jour un article potentiellement important sur la biomécanique du développement de la tête embryonnaire [1]. En allant stimuler électriquement le développement de la tête dans les premiers jours du développement d’un embryon de poulet, Vincent Fleury est parvenu à montrer qu’il existe dans l’embryon lui-même une dynamique interne qui corrèle la dilatation du cerveau et la flexion de la tête.

Quand la pression augmente dans le système nerveux, le cerveau grossit, mais dans le même temps la tête bascule davantage vers l’avant et s’enroule, automatiquement. Cependant, les travaux de Vincent Fleury montrent que si l’on stimule électriquement la tête modérément (ce qui augmente la tension dans l’embryon) la tête rétrécit, et elle s’enroule dans l’autre sens (Fig. 1 ci-dessus). A contrario, si le cœur est stimulé, la pression augmente dans les vaisseaux, la tête se dilate et s’enroule dans le « bon » sens.

Ces phénomènes mécaniques surprenants sont dûs à une propriété texturale de l’embryon que Vincent Fleury et ses collaborateurs avaient mise en évidence auparavant : l’embryon, avant de plier en tube, est constitué d’une surface plate traversée de cercles et de rayons [2]. Au moment de la fermeture du tube neural, dans les tout premiers jours du développement, les cercles se replient en tubes, mais les rayons sont amenés sur les tubes pour y former des ceintures ou colliers circulaires, comme une ficelle autour d’un saucisson ou d’un gigot.

Figure 2. Image d’un jeune embryon de poulet à 3 jours de développement. On voit que le tube neural est formé de vésicules séparées par des colliers de cellules. Le cerveau se dilate comme un chapelet de hernies. Pendant la dilatation, la tête s’enroule vers l’avant, le cerveau passe au-dessusdu palais, la bouche recule.

Ces ficelles, ou colliers, étranglent localement le tube neural, ce qui explique qu’il forme des vésicules successives, sortes de hernies, collées entre elles, et séparées par ces ficelles. Le tube neural ne peut se dilater qu’entre les ficelles, ce qui explique que le cerveau soit une grosse boule gonflée présentant des vallées ou passent les ficelles, comme celles d’un saucisson ou d’un gigot. A un stade précoce, cette boule gonflée est en fait formée de quatre vésicules ainsi accolées, qui vont former les diverses parties de l’anatomie cérébrale (cervelet, mésencéphale, lobe frontal, vésicule nasale etc.). Les vaisseaux sanguins suivent mécaniquement la texture de l’embryon lui-même, et forment des cordons passant aussi dans les vallées (Fig.3). La texture des vaisseaux étant mimétique de celle de l’embryon, les causes vasculaires, comme l’augmentation du flux ou de la pression, ont des effets semblables aux modifications de forces dans le tissu embryonnaire (en réalité, on ne peut pas séparer l’embryon de ses vaisseaux).

Figure 3. Imagerie de vaisseaux sanguins dans le jeune embryon de poulet. Les vaisseaux présentent une texture adaptée à la forme de l’embryon, avec des vaisseaux plus gros passant dans les vallées entre les vésicules.

Et c’est là que survient une propriété physique fascinante des tubes et vésicules ficelées qui vient d’être découverte. La situation biomécanique est complètement différente s’il y a une seule vésicule ou plusieurs. En effet, en étudiant toutes les configurations entre 1 et 10 vésicules (le cerveau en a 4 en comptant le nez), la théorie proposée pour expliquer la formation du cerveau montre que, s’il n’y a qu’une seule vésicule, la vésicule se dilate sans fléchir vers l’avant, en revanche, s’il y a plusieurs vésicules, la chaîne de vésicules fléchit, voire s’enroule vers l’avant, les ceintures entre les vésicules se comportant comme des charnières (Fig. 4).

Figure 4. Calcul par éléments finis du comportement d’une chaîne de vésicules séparées par des colliers, lorsque les vésicules se dilatent, la chaîne fléchit et même s’enroule vers l’avant.

Le calcul numérique montre qu’une série de vésicules ou ballons qui gonflent se comportent comme un bâton que l’on fléchit en appuyant aux deux extrémités. Cependant, lorsqu’on appuie sur un bâton, il fléchit sans se dilater. A l’inverse, une vésicule seule n’a pas la géométrie linéaire d’un bâton, et elle se dilate sans fléchir, comme un ballon d’anniversaire. Ce que montre le calcul, c’est qu’une chaîne de vésicules se comporte comme un ballon, du point de vue de la dilatation, et comme un bâton du point de vue de la flexion, ce qui explique le comportement observé dans les expériences. Un alignement de vésicules, c’est-à-dire le cerveau à un stade précoce de développement embryonnaire, est ainsi un objet spécial, intermédiaire entre un ballon et un bâton, ayant gardé un peu des propriétés des deux. Le cerveau est un objet physique hybride un « bâton de ballons » qui se comporte à la fois comme un ballon et comme un bâton : il fléchit comme un bâton, quand il se dilate comme un ballon.

Pour ce qui est des vaisseaux sanguins, les vésicules couvertes de petits capillaires, se dilatent quand la pression augmente, mais l’augmentation du flux associée augmente aussi le cisaillement, ce qui contribue également à faire tourner la tête.

Figure 5. Effet de la circulation sur le cerveau. L’augmentation de la circulation cause une dilatation des vésicules, et une flexion vers l’avant de la tête.

Ce travail apporte donc la preuve que la texture de l’embryon, qui est constituée à l’origine de fibres à angles droits, en cercles et en quartiers, prédispose la tête de l’embryon à se dilater en fléchissant. L’expérience le démontre de façon spectaculaire en produisant dans les deux sens, des têtes qui s’enroulent en grossissant, ou qui se déroulent en rétrécissant. Un aspect particulièrement saisissant, est qu’en appuyant simplement sur l’interrupteur d’un générateur de signaux, on peut obtenir un ensemble coordonné de mouvements embryogénétiques en accord avec les descriptions paléontologiques, en sorte que le poulet peut, au moins transitoirement, être renvoyé « vers le passé » de son évolution, en le rendant plus proche d’un lézard, ou à l’inverse plus proche d’un mammifère.

Ce travail montre donc expérimentalement, et théoriquement, que les séries de formes d’apparence prédéterminée, observées par certains paléontologues depuis quarante ans, peuvent correspondre effectivement à une dynamique interne, contrainte (Fig. 6).

Figure 6. Les têtes d’homininés présentent une forme plus enroulée vers l’avant et moins prognathe lorsque le cerveau est plus gros. La face recule, tandis que le cerveau passe par dessus le palais.

L’évolution se charge de changer au hasard les paramètres, mais elle ne peut pas dilater le cerveau, sans fléchir davantage la tête, comme observé. Ces travaux devraient changer de façon radicale notre manière de voir l’origine de l’homme, que l’on peut désormais percevoir de l’intérieur, par la théorie, et même par l’expérience.

Contact : Vincent Fleury Laboratoire Matière et Systèmes Complexes, vincent.fleury@u-paris.fr

Communiqué français pdf

English release

[1] Fleury V. Electrical stimulation of chicken embryo development supports the Inside story scenario of human development, Scientific Reports, paru le 27 mars 2024, accessible en ligne ici.

[2] Fleury, V., Abourachid, A. A biaxial tensional model for early vertebrate morphogenesis. Eur. Phys. J. E 45, 31 (2022). https://doi.org/10.1140/epje/s10189-022-00184-4

Les travaux de Vincent Fleury sur la formation de la tête des embryons de poulet et leur extrapolation à l’homme ont reçu le soutien des généreux donateurs de la Fondation CNRS.

ont en effet récemment mis au point des procédés de biofabrication de cellules donneuses à même de produire des vésicules extracellulaires capables de détruire des cellules receveuses.