Une nouvelle étude révèle comment les cellules cérébrales forment des circuits précis avant que l’expérience ne soit capable de façonner le câblage

Chez l’être humain, le processus d’apprentissage est piloté par différents groupes de cellules cérébrales qui s’activent ensemble. Par exemple, lorsque les neurones associés au processus de reconnaissance d’un chien commencent à s’activer de manière coordonnée en réponse aux cellules qui codent les caractéristiques d’un chien (quatre pattes, fourrure, queue, etc.), un jeune enfant sera finalement capable d’identifier les chiens. Mais le câblage cérébral commence avant la naissance de l’être humain, avant qu’il n’ait des expériences ou des sens comme la vue pour guider ce circuit cellulaire. Comment cela se produit-il ?

Dans une nouvelle étude publiée dans ScienceDes chercheurs de Yale ont identifié comment les cellules cérébrales commencent à se regrouper en ce réseau câblé au début du développement, avant que l’expérience n’ait la chance de façonner le cerveau. Il s’avère que le développement très précoce suit les mêmes règles que le développement ultérieur : les cellules qui s’activent ensemble se connectent entre elles. Mais plutôt que l’expérience soit la force motrice, c’est l’activité cellulaire spontanée qui est la force motrice.

« L’une des questions fondamentales que nous nous posons est de savoir comment le cerveau se connecte au cours du développement », a déclaré Michael Crair, co-auteur principal de l’étude et professeur de neurosciences William Ziegler III à la faculté de médecine de Yale. « Quelles sont les règles et les mécanismes qui régissent le câblage cérébral ? Ces résultats aident à répondre à cette question. »

Pour l’étude, les chercheurs se sont concentrés sur les cellules ganglionnaires rétiniennes de souris, qui se projettent de la rétine vers une région du cerveau appelée colliculus supérieur où elles se connectent aux neurones cibles en aval.

Les chercheurs ont mesuré simultanément l’activité d’une seule cellule ganglionnaire rétinienne, les changements anatomiques survenus dans cette cellule au cours du développement et l’activité des cellules environnantes chez des souris nouveau-nées éveillées dont les yeux ne s’étaient pas encore ouverts. Cette expérience techniquement complexe a été rendue possible par des techniques de microscopie avancées et des protéines fluorescentes qui indiquent l’activité cellulaire et les changements anatomiques.

Des recherches antérieures ont montré qu’avant que l’expérience sensorielle puisse avoir lieu – par exemple, lorsque les humains sont dans l’utérus ou avant que les jeunes souris n’ouvrent les yeux – l’activité neuronale générée spontanément est corrélée et forme des ondes.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que lorsque l’activité d’une seule cellule ganglionnaire de la rétine était fortement synchronisée avec les ondes d’activité spontanée des cellules environnantes, l’axone de la cellule (la partie de la cellule qui se connecte aux autres cellules) développait de nouvelles branches. Lorsque l’activité était mal synchronisée, les branches axonales étaient éliminées.

« Cela nous indique que lorsque ces cellules s’activent ensemble, les associations sont renforcées », a déclaré Liang Liang, co-auteur principal de l’étude et professeur adjoint de neurosciences à la faculté de médecine de Yale. « La ramification des axones permet d’établir davantage de connexions entre la cellule ganglionnaire rétinienne et les neurones partageant l’activité synchronisée dans le circuit du colliculus supérieur. »

Cette découverte fait suite à ce que l’on appelle la « règle de Hebb », une idée avancée par le psychologue Donald Hebb en 1949. À l’époque, Hebb avait suggéré que lorsqu’une cellule provoque à plusieurs reprises l’activation d’une autre cellule, les connexions entre les deux se renforcent.

« La règle de Hebb est très souvent appliquée en psychologie pour expliquer les bases cérébrales de l’apprentissage », explique Crair, qui est également vice-recteur à la recherche et professeur d’ophtalmologie et de sciences visuelles. « Nous montrons ici qu’elle s’applique également au développement précoce du cerveau avec une précision subcellulaire. »

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont également pu déterminer à quel endroit de la cellule la formation de branches était la plus susceptible de se produire, un modèle qui a été perturbé lorsque les chercheurs ont perturbé la synchronisation entre la cellule et les ondes spontanées.

L’activité spontanée se produit au cours du développement dans plusieurs autres circuits neuronaux, notamment dans la moelle épinière, l’hippocampe et la cochlée. Bien que le modèle spécifique d’activité cellulaire soit différent dans chacune de ces zones, des règles similaires peuvent régir la manière dont le câblage cellulaire se déroule dans ces circuits, a déclaré Crair.

À l’avenir, les chercheurs étudieront si ces modèles de ramification axonale persistent après l’ouverture des yeux d’une souris et ce qui arrive au neurone connecté en aval lorsqu’une nouvelle branche axonale se forme.

« Les laboratoires Crair et Liang continueront de combiner notre expertise en matière de développement cérébral et d’imagerie unicellulaire pour examiner comment l’assemblage et le raffinement des circuits cérébraux sont guidés par des modèles précis d’activité neuronale à différents stades de développement », a déclaré Liang.