How We're Reverse Engineering the Human Brain in the Lab | Sergiu P. Pasca | TED

Traducteur: Claire Ghyselen Relecteur: eric vautier

How does the human brain build itself?

Comment le cerveau humain se développe-t-il ?

How do circuits in the human brain

Comment les circuits du cerveau humain s’assemblent-ils ?

wire together?

For instance, how does one tiny neuron in the outer layer of the brain

Par exemple, comment un minuscule neurone dans la couche externe du cerveau

send a thin axon all the way to the spinal cord,

envoie-t-il un fin axone jusqu’à la moelle épinière,

find the right neuron

pour trouver le bon neurone

and then control muscle contraction

et contrôler la contraction musculaire

as we extend a hand and grasp a glass of water?

quand nous tendons la main pour tenir un verre d’eau ?

I'm here to tell you

Je suis ici pour vous annoncer

that we can finally grow parts of the human brain

que nous pouvons enfin cultiver des parties de n’importe quel cerveau humain

from any individual

and then build functioning human circuits

et développer des circuits humains fonctionnels

in a laboratory cell culture dish.

dans une boîte de Petri, en laboratoire.

These clumps of neural tissue are known as brain organoids.

Ces amas de tissus nerveux sont appelés organoïdes cérébraux.

And when we put them together to form circuits, they become “assembloids.”

Quand on les assemble en circuit, ils deviennent des « assembloïdes ».

Assembloids could be key to understanding how the human brain is built.

Les assembloïdes sont peut-être la clé de compréhension

du développement du cerveau humain.

Today, most of what we know about the human brain

Aujourd'hui la majorité de ce que nous savons sur notre cerveau

comes from studies in animals, typically mice.

vient d’études sur des animaux, surtout des souris.

And while we've learned a lot from these animal brains,

Et tandis que nous apprenons beaucoup de ces cerveaux d’animaux,

the characteristics that make the human brain unique,

les caractéristiques qui rendent le cerveau humain unique,

and uniquely susceptible to disease,

et une prédisposition unique aux maladies,

remain mysterious.

restent mystérieuses.

I’m a physician by training and a professor at Stanford,

Je suis médecin de formation et professeur à Stanford,

where my laboratory has been taking unconventional approaches

où mon labo adopte des approches non conventionnelles

to study how the human brain develops,

pour étudier le développement du cerveau humain,

how disorders in the human brain arise

l’apparition de ses troubles

and find new ways of treatment.

et la recherche de nouveaux traitements.

I think the best way to explain, though, how we do this

La meilleure façon, selon moi, d’expliquer comment nous faisons,

is through the eyes of one of my patients.

c’est à travers le regard d’un de mes patients.

When I opened my lab at Stanford,

Quand j’ai inauguré mon labo à Stanford,

Eduard, who's on the autism spectrum,

Eduard, qui est dans le spectre de l’autisme,

sent me this drawing

m’a offert ce dessin

depicting how he thought we were studying brain disorders.

qui décrit comment il pense que nous étudions les troubles du cerveau.

Now to paraphrase him, he said,

Pour reprendre son propos, il dit ceci :

"What I think you're doing is you're climbing up a ladder,

« Je pense que tu montes sur une échelle,

poking holes in people's brains

que tu fais des trous dans le cerveau des gens

and then use tiny telescopes to watch neural cells."

et qu’avec un tout petit télescope, tu observes les neurones. »

Of course, that's not what we do.

Ce n’est évidemment pas cela.

So I called him up, explained the process,

Alors, je l’ai appelé pour lui expliquer le processus.

and then the next morning he sent me another drawing,

Le lendemain, il m’a envoyé un autre dessin

which I think ended up being a quite accurate representation

qui est en fait une illustration assez exacte

of the work that we and many others now are doing.

du travail que nous, et de nombreuses autres personnes, accomplissons.

Again, to paraphrase him, he said,

Voici ce qu’il dit :

"You're taking skin cells

« Tu prends des cellules de la peau

from patients that have specific brain disorders,

de patients qui ont des troubles précis du cerveau,

then doing some mumbo jumbo to the cells

tu pratiques ta magie sur ces cellules

to push them back in time

pour les faire reculer dans le temps et en faire des cellules souches. »

and turn them into stem cells."

And then he knew that stem cells can be coaxed to become any cell type.

Il savait qu’on pouvait différencier les cellules souches en ce qu’on veut.

“So then you’re taking them and turning them into brain cells

« Après, tu prends ces cellules et tu en fais des neurones

that form brain circuits.”

qui composent les circuits du cerveau. »

That's right. We can build human brain circuits in a dish.

C’est exact, on peut développer des bouts de cerveau humain dans une boîte de Pétri.

How is that possible?

Comment est-ce possible ?

Building on the hard work of biologists over the past 15 years or so,

On se base sur le travail colossal accompli par les biologistes

ces 15 dernières années.

we can today take any cell type from any individual

Aujourd’hui, on peut prendre n’importe quel type de cellule chez un individu,

and then push it back in time to turn them into stem cells

lui faire remonter le temps pour en faire une cellule souche

and then guide those stem cells to become any other cell type.

et ensuite la faire se différencier en un autre type de cellule.

We start by asking a patient to provide a small skin sample.

On commence par prélever chez le patient un petit morceau de peau.

We then take those skin cells,

On prend ces cellules épidermiques

reprogram them by putting a series of genetic factors

et on les reprogramme en ajoutant une série de facteurs génétiques

and push them back in time

pour les faire remonter dans le temps

so that those skin cells become stem cells.

et les faire retourner au stade de cellules souches.

It's like cellular alchemy.

C’est une sorte d’alchimie cellulaire.

These stem cells have almost magical abilities

Ces cellules souches ont presque la capacité magique

to turn into any other cell type.

de se transformer en n’importe quel type de cellule.

So what do we do?

Alors, que faisons-nous ?

We take the stem cells, we dissociate them,

On prend ces cellules souches et on les dissocie,

we then aggregate them

puis on les agrège,

so that they form spheres or tiny balls of cells.

jusqu’à ce qu’elles forment des sphères, des petits amas de cellules.

We then take those, move them into a special plate

On dépose ces amas dans un récipient spécial

where there is a kind of chemical soup.

qui contient un mélange chimique particulier.

And that chemical soup will allow them to grow

C’est ce mélange chimique qui va permettre aux cellules de grandir

and transform and turn into a brain organoid.

et de se transformer en organoïde cervical.

By providing different cues, we can turn this brain organoid

On incite ensuite ces organoïdes neuronaux

to resemble specific regions of the central nervous system.

à ressembler à des régions spécifiques du système central nerveux.

For instance, we have a recipe

Par exemple, on a une recette

that allows them to become a cerebral cortex,

qui les induit à devenir un cortex cérébral,

the outer layer of the brain.

la couche externe du cerveau.

By using a slightly different combination of factors,

Avec une combinaison de facteurs légèrement différente,

we can turn them into a spinal cord.

on en fait une moelle épinière.

The secret to this process is careful guidance.

Le secret du processus est un guidage précautionneux.

In the end, they look like this.

À la fin, cela ressemble à ceci.

Tiny clusters of brain cells at the bottom of a dish.

Des petits amas de neurones dans une boîte de Petri.

And let me be clear.

Pour être très clair :

This are not brains in a jar.

ceci n’est pas un cerveau en boîte.

(Laughter)

(Rires)

These are parts of the nervous system in a laboratory dish.

Ce sont des morceaux du système nerveux dans une boîte de Petri.

Each of them contains millions of cells,

Chacune d’elles contient des millions de cellules

and we can even listen as they fire electrical signals.

et on peut même les entendre émettre des signaux électriques.

(Electrical signals firing)

(Bruit des signaux électriques)

Or we can watch them

On peut aussi les observer

as they sparkle with electrical activity.

quand elles s’illuminent avec l’activité électrique.

Or we can image inside and watch the cells as they communicate with each other.

On peut aussi voir à l’intérieur et les observer communiquer ensemble.

Isn't it remarkable to think that just a few months ago

C’est incroyable quand on pense qu’il y a quelques mois seulement,

these cells were skin cells in a patient,

c’étaient des cellules épidermiques,

and now they are neural cells at the bottom of a dish

et maintenant, ce sont des neurones dans notre boîte de Petri

that we can study at ease.

que l’on étudie.

(Applause)

(Applaudissements)

Thank you.

Merci.

So with these models of brain growth,

Fort de ces modèles de croissance cervicale,

we started wondering: Could we use them to start to understand disease?

on s’est demandé comment les utiliser pour comprendre des pathologies.

So for instance, we wanted to know,

On voulait chercher à comprendre, par exemple,

could we understand how low oxygen impacts the brains of premature babies?

comment l’hypoxie influence le cerveau des bébés prématurés.

So to do this, we took brain organoids and put them in a special incubator.

Pour ça, on a déposé des organoïdes cervicaux dans un incubateur particulier.

We then lowered the concentration of oxygen and watched them.

On a baissé la concentration en oxygène et observé les cellules.

We discovered something quite interesting.

On a découvert quelque chose d'intrigant.

Only one specific cell type was affected by the low oxygen.

Seulement un type de cellule est affecté par l’hypoxie.

That cell type is responsible for the expansion of the human cortex.

Cette cellule est responsable du développement du cortex chez l’Homme.

We found exactly how that happens

On a découvert ce qu’il se passe précisément

and even found the drug that could prevent that process.

et même trouvé une molécule potentiellement capable d’empêcher ça.

These clumps of three-dimensional tissue

Ces amas de tissus tridimensionnels

can be grown in a dish for years.

peuvent être cultivés dans une boîte de Petri pendant des années.

In fact, we've maintained the longest cultures

Nos cultures les plus longues,

that have been reported to date, going beyond 800 days.

à ce jour, dépassent 800 jours.

At nine to 10 months, which is the equivalent of birth,

Au bout de 9 à 10 mois, l’équivalent de la gestation chez l’Homme,

they slowly transitioned, and they started to resemble the postnatal brain.

elles transitionnent lentement pour ressembler un peu à un cerveau post-natal.

We have discovered a brain clock

On a découvert une horloge cervicale

which keeps track of time in a dish and outside of the uterus.

qui tient compte du temps dans une boîte de Petri et en dehors de l’utérus.

Understanding the molecular mechanisms that underlie this brain clock

Comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents à cette horloge du cerveau

could be key to finding new strategies

pourrait devenir une clé vers de nouvelles stratégies

to either accelerate or decelerate or rejuvenate human brain cells.

pour accélérer, ralentir ou rajeunir les cellules cervicales.

The work that I've shown you so far

Le travail que je viens de vous montrer

is pioneering not just because of what it teaches us

est pionnier non seulement dans ce qu’il nous enseigne

about the human brain,

sur le cerveau de l’Homme,

but also because of the frontiers of ethics.

mais aussi dans les frontières de l’éthique.

Organoids and assembloids are not full replicas of the human brain.

Les organoïdes et assembloïdes ne sont pas des copies entières du cerveau humain.

They're not brains in a jar. They're not minibrain.

Ce ne sont pas des cerveaux dans une éprouvette.

They're not some stepping stone to a Frankenstein monster.

Ce n’est pas la dernière étape avant le monstre de Frankenstein.

They have no blood flow,

Il n’y a aucun flux sanguin.

they receive no meaningful inputs and outputs.

Les cellules ne reçoivent aucun intrant et ne restituent rien.

But at one point, they may become more complex.

Mais à un moment, elles pourraient se complexifier.

At one point, they may receive sensory input.

À un moment, elles pourraient recevoir des intrants sensoriels.

So as the science advances,

Avec l’évolution de la science,

we in the scientific community have been very careful

la communauté scientifique est très attentive

about discussing what are some of the ethical questions,

à débattre sur les questions éthiques,

the societal implications and potential regulations.

sur les implications sociétales et sur les réglementations éventuelles.

Most of the work that I’ve shown you so far

La plupart du travail que je vous ai montré

has been in one specific brain region.

est focalisée sur une zone spécifique du cerveau.

But to really understand circuits,

Mais pour vraiment comprendre les circuits,

we actually need to build more complicated brain circuits.

nous devrons développer des circuits neuronaux plus compliqués.

And so to do this, six years ago,

Et pour faire ça, il y a six ans,

we came up with a new approach to build human circuits

nous avons développé une nouvelle approche pour cultiver ces circuits humains,

called an assembloid.

qu’on appelle assembloïde.

Assembloids are essentially blocks of tissue

Les assembloïdes sont des amas de tissus

that we build in a dish from multiple organoids put together.

que nous cultivons dans une boîte de Petri

à partir de plusieurs organoïdes mis ensemble.

When we put two brain organoids together,

Quand on a mis ensemble deux organoïdes de cerveau,

we discovered something really fascinating.

on a découvert quelque chose de vraiment fascinant.

First, they fused to each other.

D’abord, ils fusionnent.

But then they started to communicate,

Ensuite, ils commencent à communiquer entre eux

and brain cells from one side

et les neurones d’un côté

started to slowly migrate onto the other side

commencent à migrer lentement de l’autre côté

and form circuits,

et créent ainsi des circuits,

much like they would in the actual brain.

assez semblables à ceux de nos cerveaux.

In fact, we can even watch them live as they move from one side to the other.

On pouvait même les observer vivre et bouger d’une zone à l’autre.

I still remember how we were in the lab in absolute awe

Je me souviens de notre étonnement béat dans le laboratoire

when we saw for the first time

quand on a observé la première fois

how human cells undergo this peculiar jumping behavior.

comment les cellules humaines adoptent ce comportement de saut assez curieux.

This is all fascinating, but what is it actually good for?

Tout ça, c’est fascinant, mais à quoi cela nous sert-il ?

Dysfunction in the human brain causes brain disorders,

Les dysfonctionnements du cerveau humain provoquent des troubles du cerveau

such as autism and schizophrenia and Alzheimer's disease,

comme l’autisme, la schizophrénie, ou la maladie d’Alzheimer,

devastating conditions that are poorly understood.

des états dévastateurs qui sont mal compris.

Nearly one in five individuals suffers from a psychiatric disease.

Presque une personne sur cinq souffre de troubles psychiques.

What is even more striking

Plus frappant encore :

is that the lowest success rate for finding new drugs

c’est en psychiatrie qu’on a le plus faible taux de réussite

is in psychiatry, out of all the branches of medicine,

dans la découverte de nouveaux médicaments,

likely because until now we couldn't really access the human brain.

probablement parce que nous ne pouvons pas vraiment accéder au cerveau.

Using brain organoids and assembloids,

Avec des organoïdes et assembloïdes du cerveau,

we can create avatars for a patient's brain development

on peut créer des avatars du développement du cerveau d’un patient

and then use those to dissect the molecular mechanism of disease.

et l’utiliser pour disséquer les mécanismes moléculaires d’une maladie.

Let me give you one example.

Je vais vous donner un exemple.

As you have seen,

Comme vous l’avez vu,

assembloids can be used

les assembloïdes peuvent être utilisés

to model this healthy jumping behavior of neurons.

pour modéliser le comportement sain de saut des neurones.

So what we did is we created assembloids from patients with Timothy syndrome,

On a donc créé des assembloïdes issus de patients avec le syndrome de Timothy,

which is a rare genetic disease associated with autism and epilepsy.

une maladie génétique rare associée à l’autisme et l’épilepsie.

When we looked inside the assembloids, we noticed something remarkable.

En observant l’intérieur des assembloïdes, on a remarqué quelque chose :

The cells were moving much faster,

les cellules bougeaient beaucoup plus vite,

but every time they would jump, they would jump a shorter distance.

mais pour chaque saut, la distance est plus courte.

So in the end, they would be left behind.

Et donc, elles prennent du retard par rapport aux autres.

Over the past six years in extensive studies,

Au bout de six années de recherche intense,

we've actually dissected the molecular mechanism of this defect

on a pu disséquer le mécanisme moléculaire de ce défaut

and even found ways of restoring it.

et trouver un moyen de le réparer.

And we're excited to be moving towards a potential therapeutic avenue

Nous sommes très confiants de pouvoir trouver une piste thérapeutique probable

in the next year or so.

dans les années à venir.

(Applause)

(Applaudissements)

The premise of organoids and assembloids

La promesse des organoïdes et des assembloïdes

is that they will slowly allow us to gain new insights

est de nous permettre progressivement d’obtenir de nouvelles connaissances

into the hidden biology of the human brain.

sur la biologie secrète du cerveau humain.

And by doing so,

De par ce fait,

they could revolutionize the way we think about human brain development, evolution,

ils sont susceptibles de révolutionner notre compréhension

du développement, de l’évolution, du fonctionnement et des maladies du cerveau.

function and disease.

So what's next?

Et ensuite ?

Well, to really be able to gain insight into more complex brain disorders,

Pour vraiment comprendre des troubles psychiques plus complexes,

we need to build more complex circuits.

nous devrons développer des circuits plus complexes.

So in the last minute, let me show you

Permettez-moi de vous montrer, avant de conclure,

the most complicated circuit we have built to date.

le circuit le plus complexe que nous ayons pu développer.

The circuit that controls voluntary movement.

Il contrôle les mouvements conscients.

To do this, we've created three organoids.

Pour cela, on a créé trois organoïdes.

One, shown here in purple, that resembles the cortex.

Le premier, en violet, ressemble au cortex.

One, in yellow, that resembles the spinal cord,

Le second, en jaune, ressemble à la moelle épinière.

and one, in red, that resembles human muscle.

Et le troisième, en rouge, ressemble aux muscles de l’Homme.

We then put them together and watched them fuse

On les a mis dans le même environnement et on les a observés fusionner.

and noticed something really spectacular.

On a observé quelque chose de spectaculaire.

Neurons on the cortical side started extending axons,

Les neurones du cortex ont commencé à étendre les axones,

find spinal motor neurons in the spinal side,

ont trouvé les neurones moteurs de la moelle épinière,

connect with them,

se sont connectés avec eux

and then those farther project and connect to muscle.

avant de se projeter plus loin encore pour se connecter aux muscles.

When we put a light stimulus on the cortical site,

En stimulant le cortex avec de la lumière,

we noticed the muscle on the opposite side contract.

on a observé que le muscle du côté opposé se contracte.

We have modeled for the first time a human cortical motor pathway.

On venait de modéliser pour la première fois

un chemin moteur du cortex chez l’Homme.

(Applause)

(Applaudissements)

And let me be clear.

Pour être très clair,

These cells find each other.

ces cellules se trouvent mutuellement.

Unlike in engineering, we don't have a master plan,

Contrairement à l’ingénierie, nous n’avons pas de plan,

we don't provide a plan because the human brain builds itself.

on n’en a pas car le cerveau humain se développe par lui-même.

And then in itself, it's a remarkable opportunity

Et en cela, c’est une opportunité remarquable

to try to reverse engineer

de faire de la rétro-ingénierie

what are some of the steps that underlie human brain development?

des étapes qui sous-tendent le développement de notre cerveau.

I know that this all sounds science fiction,

Cela doit ressembler à de la science-fiction,

but we now do this routinely in the lab.

mais ces recherches sont devenues banales dans notre labo.

We have derived thousands and thousands of organoids and assembloids

On a dérivé des milliers d’organoïdes et d’assembloïdes

from patients with various neuropsychiatric diseases,

de patients avec diverses maladies neuropsychiatriques,

including, for instance,

notamment, par exemple,

infecting them with viruses such as polio virus

en les contaminant avec des virus comme celui de la polio

to understand how diseases arise.

afin de comprendre l’émergence de la maladie.

The statistician George Box famously said,

George Box, le statisticien célèbre, a dit :

"All models are wrong, but some are useful."

« Tous les modèles ont tort, mais certains sont utiles. »

(Laughter)

(Rires)

I do the work that I do

Je fais ce travail

because the promise and hope of brain assembloids and organoids

car la promesse et l’espoir des assembloïdes et organoïdes du cerveau,

is that by allowing us to recreate circuits of the human brain,

en nous permettant de recréer les circuits du cerveau de l’Homme,

we will gain new insights into human biology.

sont de mieux comprendre la biologie humaine.

And this in itself will open a new era in the treatment of brain disorders.

Et cela ouvre une nouvelle ère pour les traitements des troubles du cerveau.

Thank you.

Merci.

(Applause)

(Applaudissements)