La neurogenèse désigne l'ensemble du processus de formation d'un neurone fonctionnel du système nerveux à partir d'une cellule souche neurale R. 1997;276:66–71.. Elle a principalement lieu lors du développement neuronal du cerveau chez l'embryon et l'enfant (« neurogenèse primaire »). Certaines structures cérébrales des mammifères continuent cependant à produire des neurones chez l'individu adulte ().
Issues du neuroectoderme, provenant lui-même de l'ectoderme, ces cellules migrent pendant la formation des structures du système nerveux central (tube neural puis vésicules cérébrales primitives : prosencéphale, mésencéphale et rhombencéphale). De leur corps cellulaire croissent des prolongements cellulaires ou neurites : axones et dendrites. Une structure appelée , située à l'extrémité distale de l'axone notamment (mais aussi, dans une moindre mesure, des dendrites), permet la croissance et la progression du neurite en permettant un couplage mécanique entre le neurite (et notamment son cytosquelette) et le substrat (matrice extracellulaire, autres neurites, cellules gliales). Ce cône de croissance est une structure sensible à l'environnement moléculaire du neurone qui permet d'orienter la croissance des neurites, et d'établir le réseau fonctionnel éminemment complexe qu'est le système nerveux. Il faut en effet que le neurone puisse établir des synapses (synaptogenèse) avec des milliers d'autres neurones, qui ne sont pas forcément ses plus proches voisins.
Une neurogenèse réparatrice Bernal GM & Peterson DA « Neural stem cells as therapeutic agents for age-related brain repair » Aging Cell 2004;3:345–351. peut également avoir lieu à la suite d'un traumatisme (accident vasculaire cérébralThored P, Arvidsson A, Cacci E, Ahlenius H, Kallur T, Darsalia V, Lindvall O. « Persistent production of neurons from adult brain stem cells during recovery after stroke » Stem cells 2006;24(3):739-747. Zhang R, Zhang Z, Wang L. « Activated neural stem cells contribute to stroke-induced neurogenesis and neuroblast migration toward the infarct boundary in adult rats » J Cereb Blood Flow Metab. 2004;24:441–448. ou ischémie Zhang RL, Zhang ZG, Zhang L. « Proliferation and differentiation of progenitor cells in the cortex and the subventricular zone in the adult rat after focal cerebral ischemia » Neuroscience 2001;105:33–41. par exemple) via l'activation de cellules souches neurales endogènes Arvidsson A, Collin T, Kirik D. « Neuronal replacement from endogenous precursors in the adult brain after stroke » Nat Med. 2002;8:963–970., même si ce mécanisme imparfait ne permet pas une complète régénération des structures atteintes.
La neurogenèse peut également désigner, par généralisation, la formation de la totalité des structures du système nerveux au cours du développement mais on lui préfèrera alors le terme moins équivoque de neurodéveloppement.
Mécanismes de formation d'un neurone
La neurogenèse ne décrit pas seulement la différenciation d'une cellule souche neurale en cellules neuronales, elle désigne l'ensemble de la formation d'un neurone fonctionnel et intégré au sein du système nerveux. Elle comprend donc différentes étapes, schématiquement successives : Différenciation d'une cellule souche ou pluripotente en neuroblaste (cellule progénitrice des neurones) ; Migration du corps cellulaire vers la zone d'accueil prédéterminée (ex: couche cellulaire du cortex) ; Prolongement de l'axone vers sa structure cible ; Formation des dendrites et synaptogenèse ; Maturation par renforcement des synapses « utiles » et élimination des neurones non utilisés (élagage) ; Plasticité (modification constante des propriétés du neurone au cours de la vie adulte).
Neurogenèse embryonnaire Durant la gastrulation, le feuillet ectodermique qui se situe à la surface de l'embryon reçoit, sur une partie de sa surface, des signaux provenant du mésoderme sous-jacent. Ses signaux induisent la différenciation d'une partie du tissu en neuroectoderme ; le reste de l'ectoderme, lui, deviendra de l'épiderme. Cette différenciation entre deux identités cellulaires différentes (ici, futur tissu nerveux ou futur tissu épidermique) repose sur des gradients de molécules sécrétées, activatrices ou inhibitrices de la différenciation, notamment les protéines de la morphogenèse osseuse (en ou BMP), les protéines Wnt et les sonic hedgehog (SHH).
La formation de ces gradients de molécules antagonistes permet le guidage axonal à partir du cône de croissance et constitue un des mécanismes majoritaires permettant d'expliquer l'embryogenèse.
La surface induite en neuroectoderme s'appelle la plaque neurale. Durant l'étape suivante de neurulation, cette plaque va se refermer pour permettre la formation du tube neural et de la crête neurale. La fermeture s'effectue d'abord au niveau thoracique puis s'étend de part et d'autre. Elle est complète à 28 jours chez l'embryon humain. S'ensuit une importante phase de régionalisation, où l'ensemble du tissu nerveux se structure pour donner chaque sous-partie du futur système nerveux adulte. (cf. Neurodéveloppement).
Entre la et la de gestation chez l'Homme, survient la neurogenèse à proprement parler : des cellules souches situées dans le tube neural se multiplient massivement et se différencient pour former la totalité des cellules gliales et des neurones du système nerveux. La cavité du tube neural, formé durant la neurulation, forme les futurs ventricules du cerveau et le canal épendyme de la moelle épinière. Au sein de cette cavité circule le liquide cérébrospinal. C'est cette cavité qui sert de base interne au système nerveux, le bord externe étant à la périphérie. Au départ formé d'une seule couche cellulaire, le tissu nerveux va proliférer sur les bords des ventricules et s'étendre vers l'extérieur. Les divisions cellulaires s'effectuent à proximité de la lumière du tube neural et les futurs neurones migrent ensuite vers la partie externe du tube. Les cellules prolifératives sont appelées cellules neuroépithéliales et sont par définition des cellules souches neurales.
La neurogenèse embryonnaire chez l'être humain permet de former un stock de 86 milliards de neurones en moyenne... Ces nouveaux neurones s'assemblent ensuite en six couches superposées pour constituer le cortex cérébral lors de la migration opérée entre la et la Elena Sender, Dossier : les 5 âges du cerveau, Sciences et avenir, février 2010, page 46.. De manière contre-intuitive, la majorité des neurones nouvellement formés migre plus loin que ceux qui sont déjà en place, ce qui fait que la couche corticale se forme de l'intérieur vers l'extérieur (exception faite du cervelet). Les premières cellules formées sont les neurones, les cellules gliales sont formées par des mécanismes différents, plus tardivement. Contrairement au neurone qui est une cellule post-mitotique - qui perd la capacité de se diviser - les cellules gliales peuvent continuer à proliférer localement.
Les principales études de la neurogenèse embryonnaire se sont faites par injection de marqueurs radioactifs ou fluorescents ou par injection de cellules repérables (xénogreffe ou modification génétiqueOkada A, Lansford R, Weimann JM, Fraser SE & McConnell SK Imaging cells in the developing nervous system with retrovirus expressing modified green fluorescent protein Exp. Neurol., 156 (1999), pp. 394–406.). Différents modèles animaux ont été utilisés, comme le ver Caenorhabditis elegans, la drosophile, le poisson zèbre, le poulet et la souris, chacun permettant d'étudier les mécanismes de différenciation et de migration par différentes approches complémentaires.
Neurogenèse adulte La formation du système nerveux commence durant le développement embryonnaire, se poursuit durant les premières années de la vieJ. Altman Autoradiographic and histological studies of postnatal neurogenesis. IV. Cell proliferation and migration in the anterior forebrain, with special reference to persisting neurogenesis in the olfactory bulb J. Comp. Neurol., 137 (1969), pp. 433–458. et ne s'achève entièrement que durant l'adolescence.
Néanmoins, une neurogenèse localisée persiste par la suite chez l'adulte. Cette « jouvence neurale »De Chevigny A & Lledo PM (2006) https://www.erudit.org/revue/MS/2006/v22/n6/013501ar.html#no2 La neurogenèse bulbaire et son impact neurologique]. M/S: médecine sciences, 22(6-7), 607-613. semble jouer un rôle fonctionnel important dans la plasticité cérébrale générale ; via la plasticité neuronale du cerveauMing & Song, Adult neurogenesis in the Mammalian brain: significant answers and significant questions. Neuron 2011., grâce notamment à une possible migration de certains de ces nouveaux neurones, à grande distance, dans le cerveauC. Lois, A. Alvarez-Buylla (1994) Long-distance neuronal migration in the adult mammalian brain Science, 264, pp. 1145–1148. comme cela est observé dans le cerveau de l'enfantLuskin MB (1993) Restricted proliferation and migration of postnatally generated neurons derived from the forebrain subventricular zone Neuron, 11, pp. 173–189.Mayer-Proschel M, Kalyani AJ, Mujtaba T, Rao MS (1997) http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627300809605/pdfft?md5=4f8719f48eb0ca93c28ac29e6a0de604&pid=1-s2.0-S0896627300809605-main.pdf Isolation of lineage-restricted neuronal precursors from multipotent neuroepithelial stem cells] Neuron, 19, pp. 773–785..
Histoire scientifique La neurogenèse adulte a longtemps été considérée comme impossible, selon le « dogme de la fixité neuronale » formulé par Santiago Ramón y Cajal selon lequel l'émergence de la complexité du cerveau au cours de l'évolution se serait accompagnée d'une incapacité pour le cerveau adulte à renouveler ses cellules nerveuses.
Des doutes sont soulevés dès le milieu du avec par exemple la découverte de mitoses et de synthèse d'ADN dans le cerveau d'une souris jeune adulte grâce à l'incorporation de Bromodésoxyuridine Messier B, Leblond CP, Smart I (1958) « » Exp. Cell Res. 1958;14:224–226.. La biologiste polonaise Liliana Lubińska met en évidence en 1959 le rôle des nœuds de Ranvier sur la myéline dans la régénération de neurones sectionnés puis ultérieurement le rôle du flux axoplasmique. Puis dans les années 1970 Cavanagh constate une prolifération d'astrocytes autour d'une blessure provoquée dans le cerveau de rats de laboratoire Cavanagh JB, « » J. Anat. 1970;106:471–487.
Durant les années 1980-90, de nombreuses études montrent peu à peu que de nouvelles cellules neuronales sont en réalité générées dans le système nerveux adulte chez la plupart des espèces. Ce phénomène a d'abord été mis en évidence chez les canaris. Alvarez-Buylla A, García-Verdugo JM, Mateo A, Merchant-Larios H, « » J. Neurosci. 1998;18:1020–1037. et d'autres oiseaux adultes A. Alvarez-Buylla, M. Theelen, F. Nottebohm, « » Neuron 1990;5:101–109., puis chez les poissons (poisson zèbre), cnidaires (éponge), insectes (grillon), souris, rats Palmer TD, Takahashi J, Gage FH, « » Mol. Cell. Neurosci. 1997;8:389–404. et autres mammifères.
Chez les mammifères, dont l’être humain Eriksson PS, Perfilieva E, Bjork-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. « hippocampus ». Nat. Med. 1998;4(11):1313-7. ., la neurogenèse adulte se déroule principalement dans deux régions du cerveau Taupin P, Gage FH, « » J Neurosci Res. 2002;69(6):745-9. . Taupin P. « » Med Sci (Paris). 2005 Aug-Sep;21(8-9):711-4. ., le gyrus denté de l'hippocampe ; la zone sous-ventriculaire, située sous la paroi des ventricules latéraux.
Neurogenèse de l'hippocampe thumb|450 px|Schéma de la neurogenèse adulte dans l'hippocampe avec, en bleu, la morphologie des cellules souches neurales adultes de cette zone.
Dans l'hippocampe, la neurogenèse adulte a lieu au niveau du gyrus denté et, plus précisément, au niveau de la zone sous-granulaire.