Des neuroscientifiques informatiques montrent comment les astrocytes augmentent l’apprentissage flexible

Les cellules gliales en forme d’étoile, appelées astrocytes, sont bien plus que de simples cellules de soutien du cerveau. Elles participent activement aux processus d’apprentissage et interagissent avec les cellules nerveuses. Mais que font exactement les astrocytes ?

Des chercheurs de l’hôpital universitaire de Bonn (UKB) et de l’université de Bonn utilisent un modèle biophysique pour clarifier la manière dont les astrocytes interagissent avec les cellules nerveuses pour réguler l’adaptation rapide à de nouvelles informations. Les résultats de l’étude ont été publiés dans Biologie des communications.

Dans le cerveau, la plasticité synaptique (la capacité à modifier les connexions neuronales au fil du temps) est fondamentale pour l’apprentissage et la mémoire. Traditionnellement, la science s’est concentrée sur les cellules nerveuses et leurs synapses. La découverte du calcium intracellulaire²⁺ La signalisation dans les astrocytes a conduit à l’idée que les astrocytes sont plus qu’une colle qui maintient le cerveau ensemble et jouent un rôle crucial dans ce processus.

« Le dysfonctionnement des astrocytes peut considérablement altérer notre capacité d’apprentissage, soulignant ainsi leur importance dans les processus cognitifs. Cependant, les fonctions exactes des astrocytes sont restées longtemps un mystère », explique la professeure Tatjana Tchumatchenko, co-auteure principale et cheffe du groupe de recherche à l’Institut de recherche expérimentale sur l’épileptologie et la cognition de l’UKB et membre du domaine de recherche transdisciplinaire (TRA) « Modélisation » à l’université de Bonn.

Décrypter la danse complexe des interactions cellulaires au cours de l’apprentissage

« Notre travail en tant que neuroscientifiques computationnels consiste à utiliser le langage des mathématiques pour interpréter les observations expérimentales et construire des modèles cohérents du cerveau », explique le co-auteur principal, le Dr Pietro Verzelli, chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Tchumatchenko.

Dans ce cas, les chercheurs ont développé un modèle biophysique d’apprentissage basé sur une boucle de rétroaction biochimique entre les astrocytes et les neurones récemment découverte par le Dr Kirsten Bohmbach, le professeur Christian Henneberger et d’autres chercheurs du DZNE et de l’UKB.

Le modèle biophysique explique les déficits d’apprentissage observés chez les souris présentant une régulation astrocytaire altérée et met en évidence le rôle crucial que jouent les astrocytes dans l’adaptation rapide à de nouvelles informations. En régulant les niveaux du neurotransmetteur D-sérine, les astrocytes peuvent faciliter la capacité du cerveau à s’adapter efficacement et à recâbler ses connexions synaptiques.

« Notre cadre mathématique explique non seulement les observations expérimentales, mais fournit également de nouvelles prédictions testables sur le processus d’apprentissage », explique le premier auteur Lorenzo Squadrani, doctorant dans le groupe de Tchumatchenko.

Cette recherche comble le fossé entre les modèles théoriques de plasticité et les résultats expérimentaux sur les interactions entre neurones et cellules gliales. Elle met en évidence la régulation astrocytaire comme base physiologique des adaptations synaptiques dynamiques, un concept central de la plasticité synaptique.

« Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires et cellulaires sous-jacents à l’apprentissage et à la mémoire et offrent de nouvelles opportunités d’interventions thérapeutiques ciblant les astrocytes pour améliorer les fonctions cognitives », explique le professeur Tchumatchenko.