L’embryogenèse dévoile un rôle du « second cerveau » dans la digestion

par Nicolas Chevalier, Université Paris Diderot 

L’embryogenèse s’intéresse à l’apparition au fil du développement des structures, de l’architecture du corps des animaux, on parle de « morphogénèse » : comment ce rudiment de poumon va-t-il se ramifier, une, deux, trois fois pour former un arbre cellulaire avec ses alvéoles, qui lui donneront une large surface d’échange entre tissus et gaz respiratoires ? Les processus à l’œuvre défient les imaginations les plus fertiles, surtout quand on se rappelle la condition initiale : un ovule et un spermatozoïde !

C’est en analysant durant le développement de l’embryon l’influence de protéines spécifiques à chaque organe, mais aussi le contexte géométrique, mécanique et même plus récemment électrique des cellules formant chacun de ces tissus qu’on arrive à mieux comprendre aujourd’hui les mécanismes de la formation des organes. Ces recherches livrent un film quasi-statique, une séquence d’événements lents (des heures, des jours, voire des semaines) que sont les migrations, les divisions et les différenciations cellulaires. On voit un exemple ci-dessous :

Une réalité qui échappe à ces coupes histologiques est la nature active, spontanément contractile des tissus qui composent ces organes. Tout bouge dans un embryon, tout se tortille, oscille, et il faudrait remplacer les planches ci-dessus par des animations telles que celle-ci :

Quand l’intestin apprend à « rouler des mécaniques »

Les secrets que recèlent ces mouvements (ou ces écoulements : de sang, de lymphe etc.) sont ceux de l’ergogenèse : l’émergence de la fonction des organes, le développement de leur physiologie. La nature ne s’y reprend pas par deux fois : forme (morpho-) et fonction (ergo-) doivent naître d’une façon cohérente, l’une aidant l’autre ou du moins ne l’entravant pas. Voyons sur un cas concret comment cela a lieu. Nous avons découvert comment l’intestin apprend à « rouler des mécaniques », c’est-à-dire à développer les mouvements automatiques qui lui permettront de pomper le lait maternel dès la naissance. Ce mouvement a une histoire, et cette histoire nous éclaire sur le fonctionnement même de l’intestin.

L’intestin embryonnaire précoce est plat. Vers 4-5 semaines de développement chez l’humain, il se ramasse en cylindre pour former un tube, un peu comme on roule une cigarette. Puis une première couche de cellules se différencie au sein du tube, celles du muscle lisse circulaire, ainsi nommée car elles forment une gaine circulaire autour de la lumière (le canal par où passent les aliments), et ce tout le long de l’intestin. Les premiers mouvements intestinaux coïncident exactement avec l’apparition de ces cellules et ressemblent à ça :

Ces ondes parcourent l’intestin en continu, à raison de quelques événements par minute, à partir de six semaines de développement de l’embryon humain (6 jours chez le poulet qui est l’organisme sur lequel nous réalisons nos expériences).

Nous avons pu montrer qu’elles résultent d’un influx d’ions calcium qui se propagent de cellule en cellule et entraîne dans leur sillage une onde de contraction musculaire. Ces ondes calciques sont mécanosensibles, c’est-à-dire qu’on peut les générer en exerçant de petites pressions mécaniques : cette propriété va être mise à profit plus tard pour générer une contraction réflexe en réponse à la pression des aliments ingérés (le bol alimentaire).

On peut observer les mouvements digestifs sur des intestins disséqués car ils sont intrinsèques à l’organe : ils ne requièrent pas de communication nerveuse, cérébrale ou hormonale avec le reste de l’animal. De même que tout milieu matériel peut propager des ondes sonores, la capacité à propager des ondes calciques est une propriété quasi universelle des tissus animaux : on les retrouve aussi bien dans des lits de cellules en culture que dans des organismes très primitifs tel Physarum polycephalum, le « blob ». On voit donc qu’un mouvement de transport dans l’intestin émerge de deux ingrédients relativement simples : un anneau de muscle contractile et des ondes calciques.

Le « second cerveau »

Ces ondes n’ont toutefois aucune direction privilégiée, elles se propagent autant de l’estomac vers l’anus que l’inverse, et le système a donc besoin de sophistications supplémentaires. Ces sophistications se mettent en place les unes après les autres, au fil de la différenciation des cellules, ce qui nous permet de retracer le film entier de l’apparition du réflexe. Au jour 10, des cellules similaires aux pacemakers cardiaques vont imprimer un rythme très régulier aux ondes musculaires. Au jour 14, une couche de muscle longitudinale apparaît et permet de réaliser des mouvements de contractions « en accordéon ». Ces nouveaux mouvements se superposent aux contractions circulaires de manière désordonnée. C’est juste après l’apparition de cette seconde couche de muscle qu’intervient le « second cerveau », le réseau de neurones de l’intestin. Ce réseau forme un filet continu, pris en sandwich entre les deux couches de muscle :

Cette illustration n’est pas une image de synthèse, mais un marquage fluorescent des neurones sur un organe rendu transparent grâce à des méthodes biochimiques qui permettent de retirer les constituants du tissu qui diffusent la lumière (les graisses essentiellement). Chez l’humain, le système nerveux de l’intestin comprend 100 millions de neurones (mille fois moins que dans le cerveau). L’intestin est l’unique organe à posséder ce type d’innervation autonome, quasiment indépendante du système nerveux central, et qui lui vaut son surnom de « deuxième cerveau ».

Pour mettre en évidence l’implication des neurones dans l’activité contractile, on applique aux intestins des neurotoxines, en l’occurrence celle produite par le poisson fugu, la tétrodotoxine.

C’est à 16 jours que nous avons pu constater les premiers effets de cette toxine sur la dynamique de l’intestin, et donc dater le jour où le second cerveau « s’allume ».

Quel rôle jouent les neurones ? Tout d’abord ils calment les contractions spontanées : en sécrétant une petite molécule, l’oxyde nitrique, ils relaxent le muscle circulaire. Cette activité relaxante est exacerbée lorsque le filet de neurones est déformé par une contrainte mécanique : celle-ci peut être induite par la contraction du muscle longitudinal, l’effet net est alors de créer un couplage (un antagonisme en l’occurrence) entre les contractions oscillatoires des muscles longitudinaux et circulaires.

À la manière de deux notes qui jouées ensemble forment un nouveau phénomène auditif – un accord –, le couplage neuronal fait naître à partir des contractions des deux muscles un nouveau type d’onde essentiel à la digestion : les ondes péristaltiques. Les neurones mécanosensibles vont également polariser la réponse à la pression du bol alimentaire, en inhibant une des deux ondes de calcium générées par le muscle circulaire. Ceci a pour effet net de créer un réflexe asymétrique de contraction en amont et de relaxation en aval du bol alimentaire. C’est cette asymétrie neuronale qui donne une direction au transport du bol alimentaire.

Nous comprenons donc à présent sur la base de concepts physiques et chimiques – des ondes, des contraintes mécaniques, des neurotransmetteurs – comment la fonction mécanique de l’intestin apparaît au fil du développement : les mouvements ondulatoires sont spontanés et propres au muscle, les neurones induisent un couplage des mouvements. On pourrait dire qu’ils coordonnent, qu’ils font office de chef d’orchestre : j’avoue faire mon possible pour éviter d’anthropomorphiser ces cellules qui ne savent rien et n’ont d’un cerveau que le nom que nous leur prêtons. La digestion n’en reste pas moins étonnante par nombre d’autres aspects, chimiques et immunitaires notamment.

L’approche embryologique que nous adoptons est très générale et permettra demain de mieux comprendre comment advient la fonction du cœur, des poumons, des reins, du cerveau… plusieurs groupes de recherches développent déjà des recherches riches d’enseignement sur la mise en place de la physiologie de ces organes. Ces résultats seront d’une grande aide pour comprendre et traiter les pathologies qui peuvent les affecter. Elles nous enrichissent aussi sur un plan fondamental, puisque l’histoire de l’embryon, c’est notre histoire à tous.

Nicolas Chevalier, Chargé de recherches au CNRS, Université Paris Diderot

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.