Évolution du cerveau

Grâce aux fossiles, les paléoneurologues ont pu déduire que la première structure cérébrale est apparue dans des vers il y a plus de 500 millions d'années[5]. Les cerveaux les plus primitifs n'étaient guère plus que des amas de cellules[6]. Les fonctions du cerveau postérieur trouvées dans ces fossiles comprennent la respiration, la régulation du rythme cardiaque, l'équilibre, les mouvements moteurs de base et des compétences de recherche de nourriture. L'observation des cerveaux des souris, des poulets et des singes a montré que les espèces plus complexes préservent les structures pilotant les comportements de base. Cela signifie que les fonctions plus sophistiquées s'ajoutent aux fonctions basiques sans les remplacer[7]. Le cerveau humain moderne contient également une région du cerveau postérieur dite primitive[8]. Le rôle de cette partie du cerveau est de maintenir les fonctions fondamentales de l'homéostasie. Le pont ou pont de Varole et la moelle allongée sont par exemple deux structures importantes localisées dans cette partie du cerveau située schématiquement à la jonction entre la colonne vertébrale et le cerveau.

Une nouvelle région du cerveau est apparue il y a environ 250 millions d'années après l'apparition du rhombencéphale. Cette région est appelée le cerveau paléomammifère. Les parties principales sont l’hippocampe et les amygdales souvent désigné comme l'aire limbique. Le système limbique traite des fonctions plus complexes, y compris les comportements émotionnels, sexuels et violents, la mémoire et l’olfaction[8].

Comparaison du cerveau d'un homme moderne (en haut) et d'un chimpanzé (en bas).

Image issue du livre "The brain from ape to man; a contribution to the study of the evolution and development of the human brain"

Le tronc cérébral et le système limbique sont principalement constitués par des noyaux neuronaux, qui sont des groupes de neurones étroitement liés par leurs fibres axonales qui les relient les uns aux autres. Les deux autres grandes régions du cerveau (le cerveau antérieur et le cervelet) sont basées sur une architecture corticale. À la périphérie externe du cortex, les neurones sont disposés en couches (dont le nombre varie selon l'espèce et la fonction) de quelques millimètres d'épaisseur. Il y a des axones qui se déplacent entre les couches, mais la majorité de la masse des axones est en dessous des neurones eux-mêmes. Les neurones corticaux et leurs faisceaux de fibres axonales ne devant pas rivaliser pour l'espace, les structures corticales peuvent évoluer plus facilement que dans une structure de noyaux neuronaux. Une caractéristique clé du cortex est que parce qu'il se développe « en surface », sa taille peut être augmentée à l'intérieur d'un crâne en introduisant des convolutions. De manière imagée, cela peut être comparé l'introduction d’un linge dans un verre en le chiffonnant. Le degré de convolution est généralement supérieur chez les espèces plus évoluées, qui bénéficient alors de l'augmentation de la surface du cortex.

Le cervelet, ou « petit cerveau », est situé derrière le tronc cérébral et en dessous du lobe occipital du cerveau chez l'homme. Son rôle comprend la coordination des tâches fines sensorielles et il peut être impliqué dans certaines fonctions cognitives, comme le langage. Le cortex cérébelleux humain est finement alambiqué, beaucoup plus que le cortex cérébral. Ses axones intérieurs sont appelés arbor vitae ou arbre de vie.

La zone du cerveau ayant subi le plus grand nombre de changements récents au cours de l'évolution est appelée le néocortex. Avec le paléocortex et l'archicortex, ils composent le cortex. Chez les reptiles et les poissons, cette zone est appelée le pallium et est plus petit et plus simple par rapport à leur masse corporelle que chez les mammifères. Selon l'état actuel des connaissances, le néocortex se serait d'abord développé il y a environ 200 millions d'années.

Les premiers mammifères placentaires sont apparus environ 125 millions d’années BP et leur morphologie ne semble pas avoir été très différente des marsupiaux et des opossums actuels[9]. Ils étaient petits avec de petits cerveaux avec un sens de l'odorat développé et un néocortex réduit. Le néocortex primitif a évolué à partir d’une seule couche de neurones pyramidaux du cortex dorsal en une structure à six couches présente chez tous les mammifères actuels. Le néocortex a été divisé en 20 - 25 aires corticales, y compris des zones sensorielles primaires et certaines secondaires qui caractérisent le néocortex de presque tous les mammifères aujourd'hui. Les premiers primates étaient des animaux nocturnes et insectivores avec une région élargie du cortex visuel temporel. Ces primates étaient adaptés à la vie dans les branches de la forêt tropicale et avaient un système visuel élargi qui leur permettait une reconnaissance d’objet efficace pour saisir des insectes, de petits vertébrés ou des fruits. Leur néocortex était déjà important et comprenait un éventail de zones corticales présentes aujourd’hui chez tous les primates vivants. Lorsque les anthropoïdes diurnes ont émergé, le système visuel s’est spécialisé en une vision de type fovéal.

Le néocortex est responsable des fonctions cognitives supérieures - par exemple, le langage, la pensée et les formes connexes de traitement de l'information[10]. Il est également responsable du traitement des entrées sensorielles (conjointement avec le thalamus qui est une partie du système limbique et qui agit en tant que routeur de l’information). La plupart de ses fonctions ne sont pas perçues par la conscience et sont par conséquent non disponibles pour l'inspection ou l'intervention de l'esprit conscient. Le néocortex est un accroissement ou une excroissance des structures du système limbique avec lequel il est étroitement intégré.

Le néocortex humain constitue environ 80 % du cerveau. Il est divisé en un grand nombre de régions spécialisées : les aires corticales[11]. Bien qu’il n’y ait que des preuves limitées, le nombre de zones corticales, les divisions fonctionnelles fondamentales du cortex, aurait considérablement augmenté avec l'évolution du cerveau humain. Le néocortex des premiers mammifères présentait environ 20 aires corticales distinctes alors que chez l'homme on en compte environ 200, soit une augmentation d’un facteur dix[12].

Le cortex préfrontal, en particulier la zone 10 est proportionnellement plus importante chez les humains[13]. Elle est impliquée dans les fonctions cognitives supérieures telles que la planification des actions futures, les initiatives et l’attention. Le cortex frontal granulaire de l'Homme est non seulement grand, mais il possède des neurones pyramidaux avec plus de cellules dendritiques complexes et plus d’épines pour les synapses[14].

Une autre région ayant particulièrement grandi est le cortex pariétal postérieur. Les ancêtres non-primates des primates avaient un cortex pariétal postérieur très réduit mais tous les primates ont une grande région pariétale postérieure où les stimuli somatosensoriels et visuels influencent les zones ou les domaines du cortex impliqués dans la planification, l'imitation, la saisie d’objets, l'auto-défense et les mouvements oculaires via leurs projections dans le cortex moteur et prémoteur[15]. Le cortex pariétal postérieur est exceptionnellement grand chez les humains. Il a permis l’apparition de nouvelles fonctions, telles que l'utilisation précise de nombreux types d'outils qui est propre aux humains modernes.

La taille du cerveau humain entraine de considérables besoins alimentaires[16] - [17]. Le cerveau humain consomme près de 20 % du métabolisme basal (métabolisme d'un individu au repos) alors qu'il ne représente que 2 % du poids du corps humain[1]. Ces besoins sont satisfaits par des aliments riches en protéines, lipides, et glucides.

L'apparition de la bipédie et le rôle de la thermorégulation (selon la règle d'Allen, les Homo ergaster africains auraient été longilignes) ont été souvent mis en avant pour expliquer l'émergence de nouvelles capacités cognitives. La locomotion bipède et un profil longiligne auraient en effet diminué la taille du canal de naissance[18] (raccourcissement en hauteur et en largeur du bassin) au même moment où la sélection naturelle poussait vers de plus grands cerveaux permettant l'utilisation d'outils. Ce dilemme obstétrical aurait été résolu par la naissance du fœtus à un stade beaucoup plus précoce du développement avec un crâne mou, les fontanelles permettant à la tête de se déformer pour s'adapter au passage par le canal pelvien[19] - [20]. Toutefois, selon une autre analyse plus récente, un bassin maternel plus large n’aurait pas remis en question la bipédie, ni rendu la marche forcément plus difficile. L'immaturité cérébrale à la naissance (appelée altricialité secondaire) serait liée au métabolisme maternel devenu incapable de supporter une gestation plus longue d’une progéniture à grand cerveau (les besoins nutritionnels intra-utérins de cette progéniture étant trop importants)[21] - [22]. Quelle qu'en soit la raison, cette longue maturation du cerveau après la naissance permet à l'enfant humain — et à ses capacités cérébrales — de se développer en lien fort avec son environnement, et ce pendant une longue période[23] - [24] - [25].

Les progrès technologiques et l'augmentation du QI moyen, bien que liés à l’intelligence, ne signifient pas que les capacités cognitives des humains modernes s’améliorent. Ces évolutions sont liées à des changements sociaux et démographiques[30] comme la transmission des savoirs. Certains hommes modernes de tribus primitives tels que les Nambikwara, bien que dotés du même cerveau, vivaient il y a encore quelques décennies dans le dénuement le plus complet sans aucun habillement ou outillage. Un style de vie peu différent des premiers hommes[49]. Des critères reflétant plus objectivement les capacités cognitives et non liés à l’éducation, tels que le temps de réaction, montreraient, au contraire, une diminution des capacités cognitives depuis au moins une centaine d’années[50].

Les gènes impliqués dans le neuro-développement sont extrêmement conservés entre les mammifères (94% des gènes en commun avec le chimpanzé, 75% avec la souris), comparé aux autres régions du corps. Les différences d'organisation du cerveau humain avec les autres espèces reposent donc sur un faible nombre de gènes[64].

Les principales différences génétiques reposent sur une évolution des régions inter-géniques, impliquées dans la régulation de l'expression des gènes. Elle conduit à l'expression de gènes au cours du neuro-développement chez l'humain qui ne sont pas exprimés chez les autres espèces. Certaines de ces régions ont évolué très vite chez l'humain (human accelerated regions). Les nouveaux gènes exprimés au cours de la neurogenèse chez l'humain sont notamment impliqués dans les voies cellulaires NOTCH, WNT et mTOR ; il s'agit aussi des gènes codant ZEB2, PDGFD et son récepteur PDGFRβ. Le cortex humain est aussi caractérisé par une augmentation du gradient d'acide rétinoïque dans le cortex préfrontal, conduisant à une augmentation de son volume chez l'humain[65]. Leur action est d'augmenter la durée de la neurogenèse ou d'augmenter les capacités prolifératives des progéniteurs neuraux, conduisant à davantage de neurones corticaux chez l'humain. L'évolution des régions inter-géniques conduit aussi à l'absence d'expression de gènes comparé à d'autres espèces. C'est le cas notamment des gènes GADD45G et FLRT2/FLRT3[64].

La seconde source de différences génétiques entre le génome humain et celui d'autres espèces consiste en l'apparition de nouveaux gènes par duplication. Environ 30 nouveaux gènes (spécifiques à l'humain ou présents dans le génome des hominidés) sont exprimés au cours du neuro-développement. La plupart des gènes étudiés sont impliqués dans la neurogenèse (gènes spécifiquement humains : NOTCH2NLA, NOTCHN2LB, NOTCH2NLC, ARHGAP11B; gènes spécifiques aux hominidés : TBC1D3, TMEM14B). Les patients avec délétions des gènes NOTCH2NL sont atteints de microcéphalie, montrant la nécessité de ces gènes, acquis récemment au cours de l'évolution (moins de 6 millions d'années) dans l'établissement de la taille du cortex cérébral[64].

On connaît beaucoup moins les aspects moléculaires spécifiques de la maturation neuronale chez l'humain. Les gènes conservés entre les mammifères montrent une expression retardée chez l'humain, comparé aux autres espèces, associée à la néoténie du neuro-développement humain. Certains gènes sont exprimés au cours de la maturation neuronale uniquement chez les primates et non les autres espèces ; c'est le cas notamment du gène osteocrin. Un gène spécifique à l'humain, SRGAP2C, serait responsable de la néoténie synaptique, c'est-à-dire une synaptogenèse prolongée dans le temps chez l'humain comparé aux autres espèces[64].

Bruce Lahn et ses collègues, du Centre médical Howard Hughes à l'Université de Chicago, ont suggéré l’existence de gènes spécifiques contrôlant la taille du cerveau humain. Ces gènes pourraient avoir joué un rôle dans l'évolution du cerveau. L'étude a commencé avec l’évaluation de 214 gènes impliqués dans le développement du cerveau. Ces gènes ont été obtenus à partir d'êtres humains, de macaques, de rats et de souris.

Lahn et les autres chercheurs ont trouvé des séquences d'ADN responsables de la modification des protéines au cours de l’évolution. Le temps nécessaire pour l’apparition de ces changements a ensuite été estimé. Les résultats suggèrent que ces gènes liés au développement du cerveau humain ont évolué beaucoup plus rapidement chez l'homme que chez les autres espèces. Une fois cette preuve génomique acquise, Lahn et son équipe ont décidé de trouver le ou les gènes responsables de cette évolution rapide spécifique. Deux gènes ont été identifiés. Ces gènes contrôlent la taille du cerveau humain. Ces gènes sont la microcéphaline (MCPH1) et la microcéphalie anormale fusiforme (ASPM). Les mutations de la microcéphaline et la microcéphalie anormale fusiforme causent une diminution du volume cérébral jusqu’à une taille comparable à celle des premiers hominidés[66] - [67]. Les chercheurs de l'Université de Chicago ont pu déterminer que sous la pression de la sélection naturelle, des variations significatives de séquences d'ADN de ces gènes se sont répandues. Des études antérieures de Lahn montrent que la microcéphaline a connu une évolution rapide qui a finalement conduit à l'émergence de l'Homo sapiens. Après l'apparition de l'homme, la microcéphaline semble avoir montré un taux d'évolution plus lent. Au contraire, l'ASPM a montré l’évolution la plus rapide après la divergence entre les chimpanzés et les humains[68].

Chacune des séquences de gènes est passée par des changements spécifiques qui a conduit à l’apparition des ancêtres des humains. Afin de déterminer ces modifications, Lahn et ses collègues ont utilisé des séquences d'ADN provenant de plusieurs primates puis comparé ces séquences avec celles des humains. Après cette recherche, les chercheurs ont analysé statistiquement les principales différences entre les primates et l'ADN humain pour arriver à la conclusion que les différences étaient dues à la sélection naturelle. Les changements accumulés dans les séquences d'ADN de ces gènes ont donné un avantage compétitif et une meilleure condition physique aux humains. Ces avantages couplés avec une taille de cerveau plus grande ont permis en fin de compte à l'esprit humain d'avoir une capacité cognitive supérieure[69].

Tous les humains possèdent deux copies du gène Huntingtin (HTT), qui code la protéine Huntingtine (HTT). Le gène est aussi désigné par HD et IT15. Une partie de ce gène est un triplet de nucléotides CAG répété[70]. Ce gène a été trouvé chez des amibes[71]. Il serait apparu il y a 800 millions d'années[72]. Chez les Deutérostomiens, le gène semble lié à la complexité cérébrale. Un grand nombre de triplet CAG (entre 27-35) chez l'Homme serait corrélé à des capacités cognitives et sensorielles supérieures. La protéine huntingtine joue un rôle clé dans le développement cérébral chez l'Homme[73]. Un nombre supérieur à 35 est responsable du déclenchement de la maladie de Huntington.

Le gène KLOTHO est un gène responsable de la synthèse de la protéine Klotho qui est impliquée dans le processus de vieillissement. Il est situé sur le chromosome 13 humain. Certains variants de ce gène chez l'homme et la souris augmente l’activation des NMDAR (en), un récepteur au glutamate. Théoriquement, ce variant augmenterait d'environ 6 points le quotient intellectuel ce qui ferait de Klotho le gène connu ayant le plus d'impact sur l'intelligence à ce jour, devant les gènes NPTN (en) et HMGA2 (en)[74].