Percer les mystères du cerveau à l’aide d’un ver

Savons-nous vraiment comment fonctionne le cerveau ? Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont fait de grands progrès dans la compréhension de cet organe incroyablement complexe. Les scientifiques en savent désormais beaucoup sur la neurobiologie cellulaire du cerveau et ont beaucoup appris sur les connexions neuronales du cerveau et les composants qui composent ces connexions. Malgré cela, de nombreuses questions importantes restent sans réponse et, par conséquent, le cerveau continue d’être l’un des grands et fascinants mystères de la science.

L’une des questions les plus tenaces concerne peut-être notre compréhension du cerveau en tant que système. Les scientifiques ignorent encore largement comment le cerveau fonctionne comme un réseau de composants en interaction, comment tous les composants neuronaux coopèrent et, surtout, comment les informations sont traitées entre et parmi ce réseau complexe de neurones.

Aujourd’hui, cependant, une équipe de neuroscientifiques et de physiciens de l’Université de Princeton contribue à éclaircir la façon dont l’information circule dans le cerveau en étudiant, entre autres choses, le cerveau d’un ver très petit mais omniprésent connu sous le nom de Caenorhabditis elegans. Les détails de l’expérience sont relatés dans un numéro récent de Nature. L’équipe était composée de Francesco Randi, Sophie Dvali et Anuj Sharma et était dirigée par Andrew Leifer, neuroscientifique et physicien.

“Les cerveaux sont passionnants et mystérieux”, a déclaré Leifer. “Notre équipe s’intéresse à la question de savoir comment les ensembles de neurones traitent l’information et génèrent une action.”

L’intérêt porté à cette question a de vastes implications, a ajouté Leifer. Comprendre le fonctionnement d’un réseau de neurones est un exemple spécifique d’une classe plus large de questions en physique biologique, à savoir comment des phénomènes collectifs émergent de réseaux de cellules et de molécules en interaction. Ce domaine de recherche a des implications sur de nombreux sujets liés à la physique biologique ainsi qu’aux technologies contemporaines de pointe, telles que l’intelligence artificielle.

La première étape pour répondre à la question de savoir comment l’information est traitée via un réseau de neurones en interaction nécessitait que Leifer et son équipe trouvent un organisme approprié qui pourrait facilement être manipulé en laboratoire. Il s’est avéré qu’il s’agissait de C. elegans, un nématode non segmenté et non parasite, ou ascaris, étudié par les scientifiques depuis des décennies et considéré comme un « organisme génétiquement modèle ». Les organismes modèles sont couramment utilisés en laboratoire pour aider les scientifiques à comprendre les processus biologiques, car leur anatomie, leur génétique et leurs comportements sont bien compris.

Le ver mesure environ un millimètre de long et se trouve dans de nombreux environnements riches en bactéries. Le fait que l’organisme possède un système nerveux composé de seulement 302 neurones dans l’ensemble de son corps, dont 188 résident dans son cerveau, est particulièrement pertinent pour la présente étude.

“En revanche, un cerveau humain possède des centaines de milliards de neurones”, a déclaré Leifer. “Ces vers sont donc beaucoup plus simples à étudier. En fait, ces vers sont excellents pour l’expérimentation car ils trouvent le juste équilibre entre simplicité et complexité.”

Surtout, a ajouté Leifer, C. elegans a été le premier organisme dont le câblage cérébral est entièrement cartographié. Cela signifie que les scientifiques ont compilé un diagramme complet de tous ses neurones et synapses, les endroits où les neurones se connectent physiquement et communiquent avec d’autres neurones. Ce domaine d’activité s’appelle connectomique, dans le langage des neurosciences, et un diagramme d’une carte complète des connexions neuronales dans le cerveau d’un organisme est connu sous le nom de connectome. L’un des principaux objectifs de la connectomique est de découvrir les connexions nerveuses spécifiques responsables de comportements particuliers.

Un avantage supplémentaire de l’utilisation de C. elegans dans des expériences en laboratoire est que le ver est transparent et, dans certains cas, ses tissus ont été génétiquement modifiés pour être sensibles à la lumière. Ce domaine de recherche est connu sous le nom d’optogénétique et a révolutionné de nombreux aspects de l’expérimentation en neurosciences biologiques.

Au lieu du système plus conventionnel consistant à utiliser une électrode pour délivrer un courant dans un neurone et ainsi stimuler une réponse, la technique optogénétique consiste à utiliser des protéines sensibles à la lumière provenant de certains organismes et à implanter ces cellules dans un autre organisme afin que les chercheurs puissent contrôler le comportement d’un organisme. ou des réponses utilisant des signaux lumineux.

De même, d’autres protéines peuvent être utilisées pour s’allumer et signaler lorsqu’un neurone envoie un signal à un autre. Cela signifie deux choses importantes pour l’expérimentation en laboratoire : qu’un organisme répondra à la présence de lumière et qu’un neurone, une fois qu’il recevra un signal d’un autre neurone, « s’allumera ». Cela a permis aux chercheurs d’étudier visuellement l’interaction des neurones.

“Ce qui est vraiment puissant avec cet outil, c’est que vous pouvez littéralement activer les neurones et les observer en temps réel”, a déclaré Leifer. “Essentiellement, nous pouvons convertir le problème de la mesure et de la manipulation de l’activité neuronale en celui de la collecte et de la transmission de la bonne lumière au bon endroit et au bon moment.”

Ces outils optiques ont permis à l’équipe de Leifer de commencer la tâche ardue consistant à comprendre comment les informations circulent dans le cerveau du ver. L’objectif était de comprendre comment les signaux circulent directement à travers tout le cerveau du ver, chaque neurone devait donc être mesuré. Cela impliquait d’isoler un neurone à la fois, de l’éclairer pour qu’il soit activé, puis d’observer la réaction des autres neurones.

“Pour cette expérience, nous avons parcouru un neurone à la fois dans tout le cerveau, activant ou perturbant chaque neurone, puis observant l’ensemble du réseau réagir”, a déclaré Leifer. “De cette façon, nous avons pu cartographier la façon dont les signaux circulaient à travers le réseau.”

“C’était une approche qui n’avait jamais été réalisée auparavant à l’échelle d’un cerveau entier”, a ajouté Leifer.

Au total, Leifer et son équipe ont réalisé près de 10 000 événements de stimulation en mesurant plus de 23 000 paires de neurones et leurs réponses, une tâche qui a pris sept ans entre la conception et l’achèvement.

La recherche menée par Leifer et son équipe constitue à ce jour la description la plus complète de la manière dont les signaux circulent dans le cerveau. Pour les scientifiques qui étudient C. elegans, les chercheurs ont fourni de nombreuses informations sur le fonctionnement de signaux spécifiques dans le cerveau du ver, et on espère que cette recherche fournira une pléthore de nouvelles informations qui contribueront à faire progresser la recherche fondamentale.

Une découverte tout aussi importante est qu’un certain nombre d’observations empiriques faites par Leifer et son équipe au cours de l’expérience contredisaient souvent les prédictions du comportement du ver basées sur des modèles mathématiques dérivés de la carte du connectome du ver.

“Nous avons conclu que dans de nombreux cas, de nombreux détails moléculaires que vous ne pouvez pas voir sur le schéma de câblage sont en réalité très importants pour prédire la façon dont le réseau devrait réagir”, a déclaré Leifer.

Les chercheurs suggèrent qu’il existe une forme de signalisation – une partie des « détails moléculaires que vous ne pouvez pas voir » – qui ne progresse pas le long des fils neuronaux. Leifer et son groupe les ont qualifiés de « signaux sans fil ». Bien que la signalisation sans fil soit bien connue des neuroscientifiques, elle a été largement sous-estimée pour étudier la dynamique neuronale, car on pensait souvent qu’il s’agissait d’un processus qui se produisait très lentement.

La signalisation sans fil est une forme de signalisation par laquelle un neurone libère des molécules, appelées neuropeptides, dans l’espace extracellulaire – ou « milieu extracellulaire » – entre les neurones. Ces produits chimiques se diffusent et se lient à d’autres neurones même s’il n’existe aucune connexion physique entre eux.

Enfin, les chercheurs estiment qu’un impact important de leurs travaux est qu’ils permettent à d’autres neuroscientifiques étudiant ce phénomène et des phénomènes similaires de développer de meilleurs modèles permettant de comprendre le cerveau en tant que système.

“Grâce à nos recherches, nous avons fourni une pièce très importante du puzzle qui manquait”, a déclaré Leifer.