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Ressusciter le cerveau d’Homo erectus et des Néandertaliens – PaleoBRAIN

Ressusciter le cerveau d’Homo erectus et des Néandertaliens

La paléoneurologie est fascinante mais complexe, puisque le cerveau ne se fossilise jamais, ne laissant aux scientifiques que les empreintes superficielles qu'il crée sur la surface interne du crâne. Mais la correspondance entre ces enregistrements des circonvolutions et les détails de la surface du cerveau reste à démontrer chez les humains vivants. Ce n'est qu'alors que ces connaissances pourront être appliquées à l'étude de l'organisation cérébrale et de la cognition des hominines fossiles.

Nouvelles approches en paléoanthropologie pour étudier le cerveau

Pour ce faire, nous étudierons pour la première fois la corrélation entre la forme du cerveau et celle de l'endocast au sein d'un échantillon d'humains actuels à l'aide d'acquisitions IRM, dont certaines avec une séquence spécifique (temps d'écho ultracourte, UTE) qui permet la caractérisation des tissus osseux. La comparaison des données morphométriques et des traits anatomiques entre le cerveau et l'endocast sera effectuée à l'aide de méthodologies de quantification de pointe et comprendra un examen des modèles d'asymétrie cérébrale afin de traiter les traits fonctionnellement liés. Une fois que nous aurons acquis une meilleure compréhension de ces aspects au sein de notre propre espèce, nous pourrons utiliser ce modèle pour traiter la forme du cerveau / endocast dans des échantillons sélectionnés d'Homo erectus et de Néandertaliens bien préservés, ainsi que pour des spécimens uniques et importants pour caractériser certaines espèces d'hominines débattues. Un dernier objectif est de reconstruire les cerveaux d'Homo erectus et de Néandertal et d'approcher la variation au cours de la croissance de ces espèces. Nous proposons une étude originale et intégrative, construite autour de 4 tâches scientifiques. Chacune de ces tâches est liée à un large objectif scientifique, tandis que l'ensemble du projet nous permettra de tester plusieurs questions scientifiques en sciences anthropologiques, neuroanatomiques et humaines.

Notre projet vise à explorer le substrat anatomique de la cognition humaine au cours de l'évolution en utilisant des développements nouveaux et multidisciplinaires dans les méthodologies d'imagerie et des données complémentaires sur des humains vivants. D'un point de vue méthodologique, la pluridisciplinarité, et surtout l'interdisciplinarité, sont des composantes fortes du projet, et une condition essentielle pour atteindre les objectifs scientifiques. L'originalité des méthodes et des procédures analytiques est cruciale pour surmonter les difficultés ou les limites rencontrées dans le passé ou pour accéder à des informations qui n'étaient pas étudiées ou qui n'étaient pas disponibles auparavant. La préservation des fossiles peut être une limite drastique, en particulier pour l'endocast. Une méthodologie spécifique a été développée pour évaluer l'altération taphonomique, la distorsion, l'exhaustivité et toute influence sur les possibilités de recherche dans le cadre analytique du projet. Ces aspects seront étudiés de manière exhaustive pour chaque spécimen et nous publierons des descriptions détaillées pour faciliter et améliorer la qualité des recherches futures par d'autres scientifiques. Dans la tâche Acquisition et gestion de données virtuelles: fossile, IRM sur l'homme vivant, éthique et diffusion, nous aborderons plusieurs aspects méthodologiques à la croisée de divers champs scientifiques et une véritable approche pluridisciplinaire est mise en œuvre. Les acquisitions complémentaires d'IRM sur des humains vivants seront cruciales pour l'application ultérieure des données obtenues pour les études neuroanatomiques des hominines fossiles. Nous devons également traiter des questions cruciales sur la préservation des archives fossiles. Ainsi, nous avons défini des approches optimales pour l’étude des fossiles, à la fois pour permettre les meilleures études scientifiques et pour permettre leur conservation, mais aussi dans le cadre de la science ouverte.

La production d'un modèle moyen de la différence entre l'endocast et le cerveau est prévue pour la fin de l'année 2. Ensuite, une caractérisation précise de la variation des caractéristiques anatomiques détaillées sera obtenue à la fin du semestre 5. Le résultat complet et une description détaillée des endocasts d'hominidés fossiles, suivant des méthodologies validées, la reconstruction 3D de leur cerveau et la comparaison avec notre échantillon d'humains vivants seront cruciales pour décrire nos spécificités cérébrales respectives. Ces résultats amélioreront considérablement nos connaissances sur l'anatomie des principaux spécimens fossiles et aideront également à comprendre les différences anatomiques entre H. erectus, Néandertal et H. sapiens et les variations des modalités respectives de croissance et de développement. Tous les résultats attendus permettront d'améliorer nos connaissances sur la relation entre les espèces candidates (H. erectus, H. heidelbergensis, H. rhodesiensis…) au clade H. neanderthalensis / H. sapiens et ces deux hominines à gros cerveau. La dernière tâche scientifique donnera une synthèse des résultats obtenus dans les tâches 2 et 3. L'approche détaillée et complémentaire des écarts quantifiés de symétrie sera cruciale pour discuter des relations possibles entre l'asymétrie du cerveau et du crâne (y compris la pneumatisation paranasale). Nous serons en mesure de déchiffrer l'expression des asymétries biologiques fonctionnellement liées (présentées comme des variations d'asymétrie directionnelle) et des effets environnementaux par l'instabilité du développement (représentée par une asymétrie fluctuante) parmi différents échantillons pour des populations géographiques humaines et d’autres grands singes. Ces résultats, confrontés à la variation observée chez les hominines fossiles, documenteront nos connaissances sur l'évolution du cerveau, et donc sur le lien généralement supposé entre forme et fonction, à la fin de PaleoBRAIN.

Notre projet nous permettra de reconstruire pour la première fois les cerveaux de H. erectus et de Néandertal, ainsi que leur schéma de croissance respectif, en tenant compte des spécificités de ces espèces. Comprendre la morphologie cérébrale et l'ontogénie des hominines améliorera également la compréhension de l'émergence de l'organisation spécifique du cerveau de H. sapiens. L'approche est inédite, les résultats seront donc nouveaux pour chaque discipline et permettront des avancées majeures. La pluridisciplinarité, mais aussi l'interdisciplinarité, seront des composantes fortes de PaleoBRAIN et une condition essentielle pour atteindre les objectifs. L'originalité des méthodes et des procédures analytiques sera cruciale pour surmonter les difficultés détectées dans les études précédentes et pour accéder à de nouvelles informations. Les interactions entre l'anatomie / anthropologie et l'informatique / mathématiques permettront des développements majeurs en anthropologie, élargissant le champ des possibles en sciences anatomiques. Les neurosciences seront renforcées en apportant des informations originales à long terme sur les spécificités du cerveau humain. Clarifier le moment de l'apparition du substrat anatomique lié aux spécialisations cérébrales fonctionnelles peut nous aider à mieux comprendre un large éventail de problèmes apparemment sans rapport, tels que la variation normale et les pathologies liées à la variation bilatérale, la recherche comparative, la neurobiologie du développement du cerveau, et les origines du langage. Enfin, nos résultats contribueront au débat sur les spécificités humaines. Documenter l'anatomie et sa relation avec la notion de cognition chez nos prédécesseurs aidera à clarifier ce qui fait de nous des humains. De plus, il documentera nos caractéristiques partagées et nos différences avec d'autres espèces, bien sûr en termes d'anatomie, mais aussi pour les perspectives futures sur les interprétations des compétences cognitives.

La question de la correspondance entre les caractéristiques cérébrales et endocrâniennes est cruciale pour les applications en paléoneurologie et n'a jamais été abordée. Pour ce faire, le projet PaleoBRAIN va étudier pour la première fois la corrélation entre la forme du cerveau et celle de l’endocrâne au sein d'un échantillon d'humains modernes en utilisant des acquisitions par imagerie à résonance magnétique (IRM), dont certaines avec une séquence spécifique (UTE) qui permet la caractérisation des tissus osseux. Cette contribution sera décisive pour l'étude détaillée des informations neurologiques provenant d'humains fossiles. Nous reconstruirons ensuite pour la première fois le cerveau de Homo erectus et le cerveau de Neandertal, ainsi que leur schéma de croissance respectif, en tenant compte des spécificités de ces espèces. La compréhension de la morphologie du cerveau et de l'ontogénie des hominines éteints permettra également de mieux comprendre l'émergence du cerveau humain moderne. Un objectif plus spécifique est d'étudier les modèles de variation et de corrélation entre les asymétries cérébrales et crâniennes. Nous serons en mesure de déchiffrer l'expression de l'asymétrie biologique liée à des aspects fonctionnels (représentée par les variations d'asymétrie directionnelle) et celle due à des effets environnementaux par l'instabilité du développement (représentée par l'asymétrie fluctuante) parmi les différents échantillons disponibles pour diverses populations géographiques d'Homo sapiens et différentes espèces de grands singes. Ces résultats, confrontés à la variation observée chez les hominines fossiles, vont documenter nos connaissances sur l'évolution du cerveau des hominidés et donc sur le lien généralement supposé entre forme et fonction à la fin du projet PaleoBRAIN. La pluridisciplinarité et l'interdisciplinarité seront des composantes fortes de PaleoBRAIN et une condition essentielle pour atteindre ses objectifs scientifiques. En outre, ce projet est profondément engagé dans une politique de science ouverte : tous les ensembles de données d'imagerie virtuelle produits au cours du projet seront mis à la disposition d'autres scientifiques pour la recherche scientifique.

Coordinateur du projet

Monsieur Antoine Balzeau (Histoire naturelle de l'Homme préhistorique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICM INSTITUT DU CERVEAU MOELLE EPINIERE
EHU/UPV / paleontology
HNHP Histoire naturelle de l'Homme préhistorique

Aide de l'ANR 361 125 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2021 - 48 Mois

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