Révolution biologique ? Le code bioélectrique au-delà des gènes
(bitsofwonder.co)- Les recherches de Michael Levin proposent une hypothèse qui ne réduit pas le développement biologique à une lecture uniquement centrée sur les gènes, mais place au premier plan l’idée que les cellules coordonnent la structure du corps via des réseaux bioélectriques
- Dans des expériences sur les planaires, le potentiel de membrane au repos et l’état électrique relatif des cellules intervenaient dans la régénération de la tête et de la queue, et des médicaments bloquant certains canaux ioniques permettaient de modifier la structure du corps
- Certaines transformations chez les planaires ont persisté sans édition génétique, et des structures à deux têtes se sont transmises à la génération suivante sans manipulation supplémentaire
- La même approche s’est étendue à des membres supplémentaires chez la grenouille, à des yeux placés à des endroits anormaux, à des biobots capables de se déplacer et de s’auto-répliquer, ainsi qu’à des biobots à base de cellules humaines capables de soigner des neurones endommagés
- Si des cellules, tissus et organes peuvent eux aussi posséder une intelligence collective capable de changer de moyens pour atteindre un but, alors le champ de recherche en bioingénierie et en sciences cognitives pourrait considérablement s’élargir
Comment une cellule unique devient un corps
- Pour qu’un seul œuf fécondé devienne un embryon puis un adulte, il faut mettre en place et connecter des os, de la peau, des muscles, des organes et environ 100 milliards de neurones
- Une machine est assemblée par des humains à partir d’un plan, mais dans le développement biologique il n’existe pas de centre de contrôle central qui surplomberait le corps entier pour commander chaque partie
- La biologie classique a longtemps adopté une vision bottom-up dans laquelle les mécanismes moléculaires produisent les fonctions cellulaires, lesquelles produisent ensuite les organes et le corps
- Depuis le séquençage du génome humain en 2003, de nombreux travaux se sont concentrés sur la manière dont les gènes et les voies chimiques déterminent les structures biologiques de haut niveau
- L’idée centrale de Levin est que les gènes contiennent beaucoup d’informations nécessaires à la fabrication du corps, mais qu’ils ne constituent pas le seul niveau d’abstraction utile pour comprendre et intervenir sur le développement
- Dans l’analogie avec la programmation, les gènes se rapprochent du code machine, alors que les programmeurs modernes manipulent des constructions de plus haut niveau comme les objets, modules ou applications
- Il existerait aussi en biologie une couche de contrôle supérieure pertinente, dont une forme serait le réseau bioélectrique
Réseaux bioélectriques et régénération des planaires
- Les neurones communiquent en réseau via des motifs électriques membranaires et des neurotransmetteurs, mais les cellules de l’ensemble du corps disposent elles aussi des mêmes composants de communication et échangent des signaux plus lentement
- Levin et ses collègues appellent cela des réseaux bioélectriques, pour les distinguer des réseaux neuronaux
- Les planaires sont des organismes d’environ 2 cm de long qui ne vieillissent pas, ne développent pas de cancer et peuvent se régénérer même si leur corps est coupé en plus de 250 morceaux
- La question clé de la régénération est de savoir comment chaque fragment coupé détermine quelles parties il possède déjà et lesquelles il doit recréer
- Il existe dans les cellules de tout le corps un gradient de potentiel de membrane au repos
- Les cellules suivent leur position dans le corps grâce à cet état électrique
- Les expériences ont montré que la position électrique d’une cellule par rapport au reste du corps intervient dans la décision de régénérer une tête ou une queue
- La capacité de régénération dépend aussi fortement des neoblasts, des cellules souches adultes qui peuvent représenter jusqu’à 30 % du corps des planaires
- Tous les biologistes n’adhèrent pas à l’idée de la centralité des réseaux bioélectriques, et Alfonso Martinez Arias estime qu’il faut davantage se concentrer sur les capacités des cellules souches
Des expériences qui modifient la structure du corps sans changer les gènes
- L’équipe de Levin a placé des planaires dans une solution contenant des médicaments qui bloquent certains canaux ioniques, modifiant ainsi l’état électrique des cellules et les amenant à former non pas une, mais deux têtes
- Dans d’autres expériences du même type, on a aussi observé des cas où aucune tête ne se formait, ou bien où apparaissait la tête d’une autre espèce de ver
- Ces vers n’avaient pas subi d’édition génétique, et tous restaient des organismes vivants fonctionnels, bien que leur structure corporelle soit différente
- Certaines modifications étaient durables : des planaires à deux têtes ont continué à produire une descendance à deux têtes sans médicament ni intervention supplémentaire
- Cette lignée de planaires se reproduit par fission, le corps se séparant en deux pour se reproduire
- Ces résultats montrent qu’il est possible de produire des changements permanents dans la structure du corps sans modifier les gènes et, dans la perspective de Levin, cela revient à déchiffrer le code bioélectrique du corps
Un contrôle du développement étendu aux grenouilles, aux yeux et aux biobots
- Le laboratoire de Levin et d’autres chercheurs ont produit plusieurs exemples de contrôle du développement par modulation des réseaux bioélectriques
- Développement de membres supplémentaires chez la grenouille
- Création d’yeux dans l’intestin de grenouilles, ou d’yeux réellement capables de voir sur la queue
- Le but ultime imaginé par Levin est un compilateur anatomique qui, à partir de la description d’un organe ou d’un corps souhaité, générerait l’ensemble des signaux chimiques et électriques nécessaires à sa fabrication
- L’idée consiste à fournir une description de haut niveau comme « un œil supplémentaire sur la queue » plutôt que de spécifier toute la microstructure en détail, ce qui a été comparé à un DALL-E de la biologie
- À long terme, des applications potentielles sont évoquées pour les traumatismes, les malformations congénitales, les maladies dégénératives, le cancer ou le vieillissement
- Mais un tel système reste très spéculatif et lointain, et son développement pourrait soulever de nombreuses questions éthiques
Intelligence et adaptabilité dans le développement
- Dans la vision plus large de Levin, l’« intelligence » et la « cognition » ne sont pas limitées aux neurones du cerveau et pourraient s’appliquer à davantage de niveaux du vivant
- Une expérience où les organes du visage d’un têtard sont volontairement mélangés à la main, puis migrent vers la bonne position au cours de la maturation, montre qu’un corps en développement peut tendre vers un état cible
- Comme cette situation de « picasso frogs » a peu de chances d’avoir existé dans l’environnement évolutif, certains y voient difficilement une simple procédure génétiquement hardcodée pour un cas particulier
- Levin définit l’intelligence comme la capacité à atteindre le même but par des moyens différents
- Des exemples apparentés apparaissent à plusieurs niveaux biologiques
- Si l’on divise chirurgicalement un embryon en deux, il ne se développe pas en deux demi-corps mais en deux jumeaux sains
- Même lorsque des cellules de salamandre sont artificiellement agrandies, les tubules rénaux se développent jusqu’à la même taille objective en utilisant moins de cellules
- Quand les cellules deviennent encore plus grandes, la salamandre peut même former des tubules constitués d’une seule cellule repliée sur elle-même
Créativité, agentivité et intelligence collective
- Les systèmes biologiques peuvent non seulement restaurer la même fonction après une perturbation, mais aussi adopter de nouvelles fonctions lorsqu’ils reçoivent les bons signaux
- L’équipe de Levin a donné certains signaux à des cellules de peau de grenouille embryonnaire pour créer des biobots auto-réplicatifs capables de se déplacer par eux-mêmes
- Là encore, il s’agissait d’une administration de médicaments à des cellules souches ordinaires, sans modification génétique
- Plus récemment, des biobots mobiles ont été fabriqués à partir de cellules de tissu pulmonaire humain adulte, et il a été montré qu’ils pouvaient soigner des neurones endommagés
- Parmi les applications potentielles figurent l’attaque de cellules cancéreuses, la dépollution de toxines environnementales ou la réparation de tissus nerveux dégénérés
- Levin estime qu’avant même l’apparition du cerveau, l’évolution avait peut-être déjà découvert l’agentivité et le traitement intelligent de l’information dans des sous-systèmes tels que la morphogenèse, les colonies bactériennes ou les réseaux génétiques
- Si l’on considère les cellules et les collectifs cellulaires comme des systèmes dotés d’une intelligence innée, alors une nouvelle direction de recherche s’ouvre pour orienter cette intelligence vers des objectifs voulus
Élargir le champ des sciences cognitives
- Si le cerveau, les organes et les cellules partagent les mêmes composants cognitifs fondamentaux, alors il devient possible de faire circuler outils et idées entre disciplines
- Les « sciences cognitives » pourraient s’étendre au-delà de l’étude des neurones du cerveau à tous les types cellulaires coordonnés ensemble, et plus largement à tous les collectifs
- On étudie déjà des approches qui considèrent le cancer comme un « trouble dissociatif de l’identité » d’un collectif cellulaire, ou encore le fait que des colonies de fourmis puissent tomber dans des illusions d’optique de type similaire à celles du cerveau, un phénomène également documenté ici
- Levin considère toute intelligence comme une intelligence collective
- Les différentes formes d’intelligence émergent de l’assemblage de nombreuses sous-unités, chacune avec ses propres capacités et sous-intelligences
- L’individu humain lui-même est un collectif où coopèrent environ 100 milliards de neurones et des milliers de milliards d’autres cellules
- Le corps est une société de cellules, et le lien entre les sociétés humaines et les sociétés cellulaires du corps pourrait être plus qu’une simple métaphore
1 commentaires
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Le point de vue de Michael Levin se rapproche beaucoup de l’autopoïèse de Humberto Maturana et du pompage de protons de Nick Lane.
L’autopoïèse n’est pas un concept facile, mais l’une de ses idées centrales est que, plus que les détails de la structure, c’est la préservation des relations qui permettent de renouveler en continu ses propres composants qui compte. Le fait que les planaires soient très adaptables n’a rien de vraiment nouveau.
Nick Lane met davantage l’accent sur la bioénergétique et le pompage de protons à travers les membranes que sur l’ADN, et dans son livre récent, « Transformer », il traite le cycle de Krebs et les mitochondries comme des éléments centraux de la vie. Lane se lit très facilement, tandis que Maturana est presque hermétique.
J’ai pris plaisir à lire l’article en question, mais je suis mal à l’aise avec l’idée de réduire le développement au « bioélectrique ». Même si c’est un point de vue complémentaire, je ne sais pas s’il nous mènera plus loin que l’ancienne biologie moléculaire du développement.
Il est difficile de trouver, dans d’autres domaines, des auteurs avec lesquels on peut apprendre autant sans que cela donne vraiment l’impression de travailler.
Si l’on quitte une perspective centrée sur la masse pour aller vers la complétude mathématique du rayonnement électromagnétique idéalisé en génie électrique, sa valeur apparaît dans les applications théoriques, à mon avis.
J’ai créé une simulation de croissance d’un arbre avec un automate cellulaire programmable. Chaque cellule exécute des opérations comme la réplication en fonction des conditions environnantes et de son âge/du nombre d’itérations.
Cette technique permet aussi de faire croître des organismes plus complexes. On peut l’essayer directement ici : https://acionescu.github.io/digitalfire/WebContent/
Un fait important est caché dans la note 5. Quand un planaire à deux têtes produit une descendance à deux têtes, il ne pond pas d’œufs : il se reproduit par fission.
Autrement dit, ce trait physiologique n’est pas transmis par les gènes. S’il l’était, ce serait un fait lamarckien assez étonnant.
Les planaires utilisent généralement à la fois la reproduction sexuée et asexuée, c’est-à-dire les œufs et le sperme, ainsi que la division du corps.
La formulation de l’article est un peu exagérée. Il existe déjà plusieurs exemples où des gradients interviennent dans la formation de motifs ; le potentiel électrique est simplement un domaine de recherche relativement nouveau
Il y a le gradient chimique fondé sur le signal WNT dans le développement de la drosophile, le gradient chimique SHH (sonic hedgehog) dans la formation des motifs des membres et l’asymétrie de l’axe corporel, ainsi que le signal auxine dans le développement des plantes
Le célèbre article d’Alan Turing des années 1950 traitait lui aussi des mécanismes de réaction-diffusion pour la formation de motifs. Pour que l’évolution produise des motifs reproductibles, elle doit partir d’un certain type de gradient et le relier à la transcription génétique
Dans le cas de la drosophile, il s’agit d’un déclencheur chimique qui atteint le noyau via le signal WNT ; dans le cas des vers plats, c’est un gradient de polarisation membranaire, plutôt qu’un gradient chimique, qui joue le rôle moteur. Les motifs que l’on peut créer par dépolarisation électrique me semblent plus simples que les interactions chimiques, car ils perdent les interactions intéressantes issues de la réaction-diffusion
En réalité, l’état décrit est déterminé par les concentrations de divers ions et molécules à l’intérieur et à l’extérieur du corps animal. Comme des ions atomiques et des molécules électriquement chargés sont impliqués, les variations de concentrations chimiques produisent une distribution de potentiel, et ce potentiel ressemble davantage à un mécanisme qui couple entre elles plusieurs concentrations chimiques
Un même « état bioélectrique », c’est-à-dire une même distribution de potentiel, peut provenir de distributions ioniques différentes, et même si l’état électrique semble identique en apparence, le comportement réel peut être très différent
C’est un peu comme dans les semi-conducteurs : on ne peut pas simuler le fonctionnement à partir de la seule distribution de charge, il faut considérer séparément les concentrations de plusieurs porteurs de charge, comme les électrons, les trous et les défauts cristallins fixes
À mesure qu’un organisme grandit, comment les cellules savent-elles ce qu’elles doivent faire dans le temps et l’espace, et comment cette logique est-elle encodée dans le génome ?
Eric Davidson a réalisé un travail pionnier en « déboguant » minutieusement cette logique génomique spatio-temporelle chez l’oursin, et c’est vraiment fascinant. Chez les eucaryotes comme nous, il existe non seulement des éléments régulateurs juste en amont des gènes, mais aussi des éléments régulateurs situés à des centaines de milliers de paires de bases
Dans la région d’ADN située juste avant le cadre ouvert de lecture au début d’un gène, on trouve généralement des motifs d’ADN auxquels se lient des protéines qui augmentent ou diminuent l’expression du gène. Davidson et d’autres ont montré qu’une autre couche de protéines se lie par-dessus les facteurs de transcription attachés à ces motifs régulateurs, puis que cette séquence protéique secondaire recrute à son tour une troisième couche de protéines, modulant conditionnellement l’expression selon l’identité en question
Les deuxième et troisième couches encodent des niveaux d’opérations logiques ; on peut donc littéralement y voir une forme d’abstraction. Pour les lecteurs non spécialistes, un aperçu en accès libre qui explicite davantage le concept est « ERIC DAVIDSON: STEPS TO A GENE REGULATORY NETWORK FOR DEVELOPMENT » d’Ellen Rothenberg : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4828313/
Pour voir la logique décodée sous forme de pseudocode et de schémas, on peut consulter « cis-Regulatory control circuits in development » de Howard et Davidson : https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.03.031
J’ai interrogé un LLM sur ce sujet avec mes connaissances de base en neurosciences, ancrées dans la mémoire, l’apprentissage et la compréhension des potentiels d’action, mais comme la recherche est encore peu développée et dispersée, il est difficile d’être sûr que les réponses sont correctes
Je veux comprendre ce qu’est exactement un gradient de tension, en quoi il diffère d’un potentiel d’action, et comment les processus au niveau cellulaire se relient à des systèmes plus vastes. Par exemple, je me demande si SHH sert non seulement à la formation des motifs, mais aussi à la régénération des membres, s’il est dormant dans les membres normaux, s’il s’agit de cellules de membres ou de cellules cérébrales, et quels articles l’ont établi
Claude a expliqué que, dans la régénération des membres chez les amphibiens, interviennent les canaux à protons voltage-dépendants Hv1, la dépolarisation des cellules épithéliales au site d’amputation, les gradients de pH et de protons, les gradients de calcium et de sodium, la propagation de signaux bioélectriques à longue distance via les jonctions communicantes, ainsi que des motifs de gradients de tension et d’ions qui déterminent le résultat de la régénération
Il a aussi répondu qu’un gradient de tension ou un champ bioélectrique n’est pas une valeur de tension unique en un point, mais un motif spatialement distribué de différences de tension, et qu’un potentiel d’action s’en distingue en ce qu’il correspond à la différence de tension de part et d’autre de la membrane cellulaire à un moment donné. Cela dit, j’ai aussi l’impression qu’un élément essentiel est « balayé sous le tapis »
Documents associés. Y en a-t-il d’autres ?
Computational Boundary of a Self: Bioelectricity and Scale-Free Cognition (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=39244333 - février 2024
Brains are not required to think or solve problems – simple cells can do it - https://news.ycombinator.com/item?id=39127028 - janvier 2024
Bioelectricity, Biobots, and the Future of Biology [vidéo] - https://news.ycombinator.com/item?id=38423588 - novembre 2023
How bioelectricity could regrow limbs and organs - https://news.ycombinator.com/item?id=38027587 - octobre 2023
M. Levin – Bioelectrical signals reveal, induce, and normalize cancer [vidéo] - https://news.ycombinator.com/item?id=37140965 - août 2023
https://news.ycombinator.com/item?id=36912245 - juillet 2023
Aging as a morphostasis defect: a developmental bioelectricity perspective - https://news.ycombinator.com/item?id=36264719 - juin 2023
Bioelectric networks: cognitive evolutionary scaling from physiology to mind - https://news.ycombinator.com/item?id=36009513 - mai 2023
Bioelectric networks: from body intelligence to regenerative medicine - https://news.ycombinator.com/item?id=35763121 - avril 2023
Non-neural, developmental bioelectricity as a precursor for cognition - https://news.ycombinator.com/item?id=33902641 - décembre 2022
Michael Levin: Intelligence Beyond the Brain (networked daptive morphogenesis~) - https://news.ycombinator.com/item?id=33217070 - octobre 2022
Plasticity without genetic change – Michael Levin [vidéo] - https://news.ycombinator.com/item?id=32119375 - juillet 2022
Mike Levin on using bioelectricity to study how cells form (2019) - https://news.ycombinator.com/item?id=27819791 - juillet 2021
Persuading the Body to Regenerate Its Limbs - https://news.ycombinator.com/item?id=27062477 - mai 2021
The Link Between Bioelectricity and Consciousness - https://news.ycombinator.com/item?id=26435281 - mars 2021
Growing Neural Cellular Automata: A Differentiable Model of Morphogenesis - https://news.ycombinator.com/item?id=22300376 - février 2020
What Bodies Think About: Bioelectric Computation Outside the Nervous System - https://news.ycombinator.com/item?id=18736698 - décembre 2018
Brainless Embryos Suggest Bioelectricity Guides Growth - https://news.ycombinator.com/item?id=16589702 - mars 2018
Memory in the Flesh: Can memories survive outside the brain? - https://news.ycombinator.com/item?id=9226391 - mars 2015
Growing Neural Cellular Automata https://news.ycombinator.com/item?id=22300376, février 2020
Il est étonnant que les informations nécessaires pour fabriquer une personne ne représentent qu’environ 750 Mo sans même être compressées. Cela inclurait par exemple la forme très précise de l’omoplate, ou même des choses comme l’arachnophobie
Si l’on implantait 10 ovules fécondés identiques chez 10 personnes différentes, on n’obtiendrait pas 10 clones comme on l’imagine souvent, mais 10 êtres humains différents. C’est parce que non seulement la génétique de la mère, mais aussi son alimentation, son mode de vie et son histoire passée influencent fortement le développement précoce du fœtus
On ne sait pas combien de données il faudrait pour décrire entièrement une cellule vivante. Comme on ne peut pas fabriquer une cellule avec seulement de l’ADN, sans cellule préexistante, les informations nécessaires ne se trouvent pas uniquement dans l’ADN
Lorsqu’une cellule se divise ou se reproduit, l’ensemble du nanorobot est copié avec de légères modifications. L’ADN indique comment modifier le nanorobot copié, et il est possible de reprogrammer n’importe quelle cellule vers son état d’origine
Personne ne sait fabriquer de toutes pièces le nanorobot qu’est une cellule. Tout comme un programme informatique ne contient pas les instructions pour fabriquer un ordinateur, cette information ne se trouve pas dans l’ADN
En plus, nous ne faisons encore qu’effleurer la surface de l’épigénétique
Une formulation du type « ses travaux ont été présentés un peu partout, de Scientific American au podcast de Lex Fridman en passant par The New Yorker » est étrange pour parler d’une réussite scientifique
S’il avait été dit qu’il avait publié dans Lancet, Nature ou Science, le poids scientifique serait évident ; mais le fait d’être présenté dans des médias de vulgarisation scientifique, un podcast célèbre ou un magazine grand public montre seulement à quel point on sait expliquer ou vendre la recherche, pas la solidité de celle-ci
Le passage disant qu’il a fait produire à des grenouilles des membres supplémentaires, ou des yeux réellement visibles dans l’intestin ou la queue, suscite deux réactions contradictoires
L’une est « la science est vraiment incroyable ! », l’autre « pauvres grenouilles, c’est horrible »
Le titre est vraiment mauvais. Un meilleur titre serait, à mon avis, Bioelectric Signals Guide Body Development and Regeneration
Il n’a pas utilisé des cellules pulmonaires, mais des cellules bronchiques humaines
D’après lui, c’est parce que « c’est l’un des rares tissus du corps dotés de cils motiles »
C’est ce qui leur permet de se déplacer
[0] https://twitter.com/drmichaellevin/status/173042805284737055...