La formation du cerveau in utero

Comment est formé l’organe le plus fascinant et mystérieux du corps humain pendant la grossesse ? La formation du cerveau in utero est un processus complexe et finement régulé qui commence dès les premières semaines de grossesse et qui continue jusqu’à l’âge adulte, aux alentours de 25 ans. C’est au cours de cette période que le cerveau se dessine : les structures cérébrales se forment et les premières connexions neuronales se mettent en place. Il s’agit d’une période cruciale pour le développement futur de l’enfant, puisque sa perturbation peut causer des troubles neurologiques et psychiatriques a posteriori.

 

Aux prémices du cerveau : le tube neural

Environ 3 semaines après la fécondation, l’embryon est un amas de cellules sphériques organisé en trois couches¹. Certaines cellules, sous l’exposition de molécules particulières, s’orientent vers un destin neuronal. C’est-à-dire qu’elles seront uniquement capables de former le tissu nerveux et de donner naissance aux neurones ou cellules gliales. Ces cellules sont issues d’une des couches de l’embryon et forment ce qu’on appelle la plaque neurale. La plaque neurale forme ensuite des bosses et leur fusion va former le tube neural, la première structure à l’origine du système nerveux².

La fermeture du tube neural est une étape importante dans la construction du cerveau, sa mauvaise fermeture induit un développement incomplet de la colonne vertébrale (spina bifida) plus ou moins sévère, voire d’une absence de voûte crânienne (anencéphalie)³.

Après la fermeture du tube neural qui se déroule aux environs de la 4^ème semaine, l’organisation primaire du système nerveux central se met en place selon l’axe antéro-postérieur du tube. La partie antérieure du tube deviendra le cerveau antérieur, qui comprend les hémisphères cérébraux, le thalamus et l’hypothalamus et les ganglions de la base. Les cellules situées au centre deviendront le mésencéphale, une structure jouant un rôle important dans les réflexes visuels et auditifs. La partie la plus à l’arrière du tube donnera naissance au rhombencéphale composé du bulbe rachidien, du pons et du cervelet. Enfin, les cellules restantes donneront naissance à la moelle épinière⁴.

C’est à partir du tube neural que se développeront le système nerveux central formé du cerveau et de la moelle épinière et le système nerveux périphérique regroupant les nerfs à l‘extérieur du cerveau et de la moelle épinière.

 

La formation des neurones et des connexions

Les futurs neurones commencent à se multiplier très tôt pour occuper l’espace dans le cerveau en devenir. Leur vitesse de multiplication atteint jusque 4000 à 5000 neurones par seconde⁵. Ils naissent dans la partie la plus interne du tube appelée « la zone ventriculaire » car cette zone deviendra par la suite les ventricules du cerveau, à savoir les cavités internes du cerveau dans lesquelles circule le liquide céphalorachidien. Les neurones tout juste produits voyagent jusqu’à leur destination finale. Cette migration est essentielle pour la formation des circuits neuronaux complexes qui sous-tendent les fonctions cognitives et comportementales de l’enfant. Les neurones migrent selon un sens inversé, à savoir que les plus anciennes cellules se retrouvent dans la couche la plus profonde du cortex et les plus récentes dans les couches externes. Une fois arrivé à destination, le neurone se différencie selon sa localisation dans le cerveau, c’est-à-dire qu’il se spécialise pour remplir des fonctions spécifiques. Le neurone doit ensuite communiquer avec les neurones avoisinants par l’intermédiaire de connexions chimiques ou électriques : les synapses. Pour cela il va développer des axones, et des dendrites. Ce processus nommé synaptogénèse est extrêmement important pour la formation des circuits neuronaux, créant les premières activités cérébrales. Elle commence in utero mais se continue jusque dans les premières années de vie post-natales.

– Le « grand nettoyage »

Au cours du développement, de nombreuses cellules neurales (neurones ou cellules gliales) sont produites en surplus. Ces cellules seront éliminées par un processus de mort cellulaire programmée appelé apoptose. Il s’agit d’un mécanisme physiologique qui permet « d’affiner » les circuits neuronaux en développement. Environ la moitié des neurones produits meurent par apoptose. Il en va de même pour les synapses qui sont réalisées en excès et subissent un « nettoyage » si elles ne sont pas sollicitées ou peu fonctionnelles.

A noter que jusqu’au stade de la synaptogenèse, les étapes du développement du cerveau sont largement déterminées par les gènes. Cependant, passé cette période, le processus d’élagage est en grande partie sous l’influence de l’expérience.

– La myélinisation

Le dernier processus impliqué dans le développement du cerveau est appelé myélinisation. Au cours de ce processus, les axones des neurones sont enveloppés dans des cellules graisseuses, ce qui facilite l’activité et la communication neuronales, car cette isolation permet aux axones myélinisés de transmettre des signaux électriques plus rapidement que les axones non myélinisés.

– Le développement du cortex

Au bout de trois mois de gestation, le cerveau subit une croissance rapide et sa taille est multipliée. À ce stade, le cerveau antérieur se développe plus rapidement que les autres régions. Vers six mois, le cortex cérébral commence à se séparer en lobes qui se spécialiseront par la suite pour effectuer des fonctions spécifiques. Le cortex devient la structure prédominante. Au cours du deuxième trimestre (aux environs de la 25ème semaine de gestation), les six couches du cortex sont complètes. Toutefois, le cortex commence à être fonctionnel à partir de la fin du troisième trimestre. A neuf mois, le cortex cérébral a une apparence immédiatement reconnaissable comme celle d’un être humain.

Source : Ackerman S. Discovering the Brain. Washington (DC): National Academies Press (US); 1992. 6, The Development and Shaping of the Brain.

Les premières fonctions cognitives⁶

Les fonctions cérébrales ne se développent pas au même rythme. Ainsi les fonctions sensorimotrices, c’est-à-dire impliquant les sens et sensations ainsi que les activités motrices sont les premières à être fonctionnelles. L’apparition des premières connexions vers la 7ème semaine de grossesse permet au fœtus de se mouvoir de manière spontanée et visible par ultrasons. Toutefois, le cortex n’étant pas encore mature, ces mouvements ne sont pas volontaires à ce stade. Les sens commencent à se développer dès la huitième semaine, avec la sensibilité au toucher, puis peu après l’odorat se développe également. Ensuite place au goût, à l’ouïe et la vue. Le bébé peut alors bouger, entendre, goûter au liquide et ressentir les pressions exercées de l’extérieur. Une étude montre que le fœtus va se mouvoir en réaction aux sons environnant dès le début du deuxième trimestre⁷. Les stimulations externes permettent d’ailleurs d’améliorer les connexions entre les neurones.

Ces premières fonctions correspondent aux régions cérébrales qui se développent plus rapidement et qui sont responsables du traitement des stimuli externes, tels que les sons et les mouvements. Ces régions sont également les premières à être recouvertes de myéline. En revanche, les régions du cerveau impliquées dans les fonctions cognitives plus avancées, comme la pensée et la mémoire, se développent plus tardivement et leur myélinisation s’achève également plus tard.

Les avancées en imagerie, comme l’IRM in utero, permettent aujourd’hui de mieux comprendre le développement du cerveau pendant la grossesse.

 

Les perturbations durant le développement

– Défauts d’étapes de maturation

Si le développement du cerveau est perturbé lors de la grossesse, cela peut entraîner des conséquences sévères sur le fonctionnement du cerveau à long terme. Certains troubles neurodéveloppementaux comme l’épilepsie sont associés à des anomalies dans la migration neuronale : les cellules ne se trouvent pas à leur place⁸. Une mauvaise multiplication et spécialisation des cellules du cerveau est également un point commun dans les troubles neurodéveloppementaux⁹.

Des études ont également suggéré que l’autisme pourrait être lié à des dysfonctionnements dans la synaptogénèse ou dans la formation des différentes couches du cortex¹⁰, bien que les causes exactes ne soient pas encore claires. Il est donc crucial de comprendre les mécanismes de développement du cerveau pour prévenir ces troubles.

Ces perturbations sont largement influencées par des stimuli environnementaux. Par exemple, la paralysie cérébrale est une autre pathologie qui peut être en partie causée par des perturbations dans le développement du cerveau in utero pouvant être liées à des infections maternelles notamment.

 

– L’impact des stimuli environnementaux

Le développement du cerveau in utero est influencé par de nombreux facteurs environnementaux, tels que la nutrition maternelle, le stress maternel, l’exposition à des toxines, des inflammations ou encore la consommation d’alcool et de drogues. Par exemple, la prise d’alcool et de drogue serait impliquée dans une mauvaise migration neuronale. Des études ont également montré que le stress maternel pendant la grossesse est associé à des modifications du développement du cerveau, en particulier au niveau de la maturation des régions cérébrales impliquées dans le traitement des émotions et de la régulation du stress^11,12.

 

Il est important de poursuivre les recherches sur le développement du cerveau in utero, en particulier pour mieux comprendre les facteurs qui peuvent avoir un impact négatif et pour développer des stratégies de prévention et de traitement qui pourraient bénéficier à plusieurs troubles neurodéveloppementaux.

 

Sources :

• ¹ Tierney, A. L., & Nelson, C. A., 3rd (2009). Brain Development and the Role of Experience in the Early Years. Zero to three, 30(2), 9–13.
• ² Stiles, J., Jernigan, T.L. The Basics of Brain Development. Neuropsychol Rev 20, 327–348 (2010). https://doi.org/10.1007/s11065-010-9148-4
• ³ Ackerman S. Discovering the Brain. Washington (DC): National Academies Press (US); 1992. 6, The Development and Shaping of the Brain.
• ⁴ De la fécondation à l’embryon, Le cerveau à tous les niveaux, lecerveau.mcgill.ca
• ⁵ When Does Your Baby Develop a Brain? WhatToExpect.com, 2021.
• ⁶ Le développement du cerveau, Society For Neuroscience & Société des Neurosciences, 2013
• ⁷ Cerveau in utero, Cerveau et psycho, 2012
• ⁸ In utero, une vie «sensationnelle», Sciences humaines, 2017
• ⁹ Le stress maternel altère le cerveau du bébé, Santé log, 2022
• ¹⁰ Anomalies de fermeture du tube neural chez les enfants nés de mères traitées par le dolutegravir pendant la grossesse, ANSM, 2021
• ¹¹ Lautarescu, Alexandra et al. “Prenatal stress: Effects on fetal and child brain development.” International review of neurobiology vol. 150 (2020): 17-40. doi:10.1016/bs.irn.2019.11.002
• ¹² Qu’est ce que la paralysie cérébrale ? , Fondation Paralysie cérébrale

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Rédaction : Martine RAMPANANA, chargée des actions scientifiques de la FRC.

 

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Photographie :  © INSERM et Pexels