Ce qui sépare le fort du faible parmi les connexions dans le cerveau

David Orenstein | Institut Picower pour l'apprentissage

Pour fonctionner, le système nerveux a besoin de ses cellules, ou neurones, pour se connecter et converser dans un langage d'impulsions électriques et de neurotransmetteurs chimiques. Pour que le cerveau puisse apprendre et s'adapter, il a besoin des connexions, appelées synapses, pour pouvoir se renforcer ou s'affaiblir. Une nouvelle étude de menée par des neuroscientifiques à l'Institut Picower du MIT pour l'apprentissage et la mémoire permet d'expliquer pourquoi les synapses fortes sont plus fortes et comment elles se comportent ainsi.

En mettant en évidence les propriétés de la force synaptique et comment elles se développent, l'étude pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre comment les synapses pourraient être affaiblies ou renforcées. Les déficiences du développement synaptique et du changement, ou de la plasticité, jouent un rôle dans de nombreuses maladies du cerveau telles que l'autisme ou la déficience intellectuelle, explique Troy Littleton, professeur principal en neurosciences à Menicon au Département de biologie du MIT.

"L'importance de notre étude est de déterminer quelles sont les caractéristiques moléculaires des synapses vraiment fortes par rapport à leurs voisins plus faibles et comment pouvons-nous réfléchir aux moyens de convertir les synapses vraiment faibles en plus fortes", explique Littleton.

Dans l'étude, publiée dans eLifel'équipe de Littleton a utilisé des techniques d'imagerie innovantes dans l'organisme modèle de la drosophile Drosophila pour se concentrer sur les «zones actives», composants fondamentaux des synapses. Les scientifiques ont identifié des caractéristiques spécifiques associées à une forte connexion des deux côtés de la synapse.

L'équipe, dirigée par le postdoc Yulia Akbergenova et l'étudiante diplômée Karen Cunningham, a également étudié comment les synapses fortes et les zones actives se développent, montrant que celles qui ont le plus de maturité pendant quelques jours de développement deviennent les plus fortes.

Sources de force

L'étude de l'équipe a débuté par une étude des zones actives à un carrefour où un motoneurone relie un muscle. Environ 300 zones actives étaient présentes à la jonction neuromusculaire, ce qui a donné à l'équipe une riche diversité de synapses à examiner.

Habituellement, les neuroscientifiques étudient la connectivité neuronale en mesurant les courants électriques dans le neurone postsynaptique après l'activation du neurone présynaptique, mais de telles mesures représentent une accumulation de transmission provenant de nombreuses zones actives. Dans la nouvelle étude, l'équipe a pu visualiser directement l'activité de zones actives individuelles avec une résolution sans précédent en utilisant «l'imagerie quantique optique».

"Nous avons optimisé un capteur de calcium génétiquement codé pour le positionner à proximité de zones actives", explique Akbergenova. "Cela nous permet de visualiser directement l'activité sur des sites de publication individuels. Nous pouvons maintenant résoudre la transmission synaptique au niveau de chaque site de publication. "

Lire Aussi :  Salade d'asperges grillées et de penne aux tomates et au fromage de chèvre

À travers de nombreuses mouches, l'équipe a toujours trouvé que seulement 10% des zones actives à la jonction étaient fortes, comme il était très probable qu'elles libéreraient le neurostransmetteur glutamate lorsque le neurone présynaptique était stimulé. Environ 70% des zones actives étaient beaucoup plus faibles, libérant à peine le glutamate étant donné la même stimulation. Un autre 20 pour cent étaient inactifs. Les probabilités de rejet des zones actives les plus fortes étaient 50 fois supérieures à celles des zones faibles.

"L'observation initiale était que les synapses faites par exactement le même neurone ne sont pas de la même force", dit Littleton. "Alors la question est devenue, qu'est-ce que c'est à propos d'une synapse individuelle qui détermine si elle est forte ou faible?"

L'équipe a effectué plusieurs tests. Dans une expérience, par exemple, ils ont montré que ce n'est pas leur approvisionnement en vésicules synaptiques, les conteneurs qui contiennent leur cache de glutamate. Quand ils ont stimulé les neurones présynaptiques à plusieurs reprises, les plus forts ont conservé leur probabilité comparativement plus élevée de libération, même si leur approvisionnement en vésicules synaptiques était mélangé avec ceux des zones actives à proximité.

Les tests présynaptiques qui montraient une différence avaient à voir avec la mesure du taux d'afflux de calcium dans la zone active et le nombre de canaux par lesquels ce calcium atteint la zone active. Les ions calcium stimulent la fusion des vésicules à la membrane de la cellule présynaptique, permettant la libération des neurotransmetteurs.

Dans les synapses fortes, les zones actives présentaient un afflux significativement plus important d'ions calcium par l'intermédiaire d'une abondance de canaux ioniques de calcium considérablement plus élevée que les zones actives des synapses faibles.

Les zones actives plus fortes contenaient aussi plus de protéine appelée Bruchpilot qui aide à regrouper les canaux calciques au niveau des synapses.

Pendant ce temps, du côté post-synaptique, lorsque les scientifiques ont mesuré la présence et la distribution des sous-types de récepteurs du glutamate, ils ont trouvé une différence spectaculaire aux synapses fortes. Dans la synapse faible typique, les récepteurs contenant GluRIIA et GluRIIB étaient plutôt bien mélangés. Mais dans les synapses fortes, le sous-type A, qui est plus sensible, s'est entassé dans le centre pendant que B était poussé vers la périphérie, comme pour maximiser la capacité de la cellule réceptrice à capter ce signal robuste.

Lire Aussi :  Bienfaits pour la santé de l'Abhyanga (massage à l'huile ayurvédique)

Peut traverser la maturité

Avec la preuve de ce qui fait la force des synapses fortes, les scientifiques ont ensuite cherché à déterminer comment ils obtenaient cette voie et pourquoi il n'y en avait pas plus. Pour ce faire, ils ont étudié chaque zone active depuis le début du développement jusqu'à plusieurs jours après.

"C'est la première fois que les gens ont été capables de suivre une seule zone active pendant plusieurs jours de développement à partir du moment où elle est née au début des larves jusqu'à sa maturation à mesure que l'animal grandit.

Ils ont fait cette "imagerie intravitale" en anesthésiant brièvement les larves chaque jour pour vérifier les changements dans les zones actives. En utilisant des protéines modifiées GluRIIA et GluRIIB qui brillent de différentes couleurs, ils pourraient dire quand une forte synapse s'est formée par la concentration caractéristique de A et la marginalisation de B.

Un phénomène qu'ils ont remarqué était que la formation de la zone active s'accélérait chaque jour de développement. Cela s'est avéré important parce que leur principale conclusion était que la force des synapses était liée à l'âge de la zone active. Comme les synapses ont mûri pendant plusieurs jours, ils ont accumulé plus de canaux calciques et de BRP, ce qui signifie qu'ils sont devenus plus forts à maturité, mais seulement quelques-uns ont eu la chance de le faire pendant plusieurs jours.

Les chercheurs ont également voulu savoir si l'activité affectait le taux de maturation, comme on peut s'y attendre dans un système nerveux qui doit être sensible à l'expérience d'un animal. En bricolant différents gènes qui modulent le degré de décharge neuronale, ils ont constaté que les zones actives mûrissaient en effet plus rapidement avec plus d'activité et plus lentement lorsque l'activité était réduite.

"Ces résultats fournissent une compréhension moléculaire et développementale à haute résolution de plusieurs facteurs majeurs qui sous-tendent l'extrême hétérogénéité de la force de libération qui existe dans une population de zones actives", dit Cunningham. "Étant donné que la cohorte de protéines qui composent la zone présynaptique active chez les mouches est largement conservée dans les synapses des mammifères, ces résultats fourniront un aperçu précieux de la façon dont l'hétérogénéité de la zone active pourrait se produire dans des systèmes neuraux plus complexes."

Outre Littleton, Akbergenova et Cunningham, les autres auteurs du document sont Shirley Weiss-Sharabi, postdoctorat du MIT, et Yao Zhang, ancien postdoctorant du MIT.

Les National Institutes of Health ont soutenu la recherche.

Tags: