Démystifier le cerveau d'un mammifère, cellule par cellule

Un groupe de scientifiques, dont plusieurs à Harvard, ont plongé plus profondément que jamais dans le cerveau des mammifères en catégorisant et en cartographiant au niveau moléculaire l'ensemble de ses milliers de types de cellules différents.

Les chercheurs ont rendu compte de leurs travaux dans Nature, à travers une série de 10 articles, dont six affiliés à Harvard. Cela fait partie de l'initiative Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies des National Institutes of Health, qui s'est jusqu'à présent concentrée sur les souris ; les phases futures passeront aux humains et aux autres primates.

Le cerveau des mammifères abrite des milliards de cellules, chacune définie par les gènes qu’elles expriment. Cette complexité explique pourquoi la véritable compréhension de nombreuses fonctions cérébrales, y compris les mécanismes moléculaires à l’origine des maladies neurologiques, reste si difficile à comprendre.

Pour créer le premier atlas cellulaire défini moléculairement du cerveau entier de la souris, une équipe dirigée par Xiaowei Zhuang de Harvard a identifié et cartographié spatialement des milliers de types de cellules uniques, dont la plupart n'avaient jamais été caractérisées auparavant.

“Nous avons identifié 5 000 populations cellulaires distinctes sur le plan transcriptionnel”, a déclaré Zhuang, professeur de sciences David B. Arnold et chercheur médical de Howard Hughes. “Il suffit de dire que le niveau de diversité que nous avons identifié est vraiment extraordinaire.”

L’atlas des types de cellules à l’échelle du cerveau répertoriant les cellules, leur distribution et leurs interactions pourrait servir de point de départ aux scientifiques étudiant certaines fonctions ou maladies cérébrales. Un jour, les grandes lignes de l’atlas pourraient être appliquées au cerveau humain, 1 000 fois plus grand que celui de la souris.

“Cela me donne une réelle excitation de voir des choses qui n'étaient pas visibles auparavant. Je suis également ravi lorsque notre technologie est utilisée par autant de laboratoires”, a déclaré Zhuang, faisant référence à l'hybridation in situ par fluorescence multiplexée et robuste aux erreurs (MERFISH), un génome- technologie d’imagerie à grande échelle développée dans son laboratoire.

En collaboration avec des scientifiques de l'Allen Institute for Brain Science, Zhuang et son équipe ont utilisé MERFISH avec des données de séquençage d'ARN unicellulaire non seulement pour identifier chaque type de cellule, mais aussi pour les imager in situ. Leurs travaux fournissent de nouvelles informations sur les signatures moléculaires de ces types de cellules, ainsi que sur leur localisation dans le cerveau. Le résultat est une image incroyablement détaillée de l’ensemble des cellules du cerveau de la souris, de leur activité d’expression génique et de leurs relations spatiales.

Dans leurs Nature Dans cet article, les chercheurs ont utilisé MERFISH pour déterminer les profils d'expression génique d'environ 10 millions de cellules en imageant un panel de 1 100 gènes, sélectionnés à l'aide des données de séquençage d'ARN unicellulaire fournies par les collaborateurs de l'Allen Institute.

Les découvertes sur la rétine pourraient stimuler la recherche sur le glaucome

Dans un article distinct de la série Nature, Joshua Sanes, professeur Jeff C. Tarr de biologie moléculaire et cellulaire, a codirigé une équipe qui a capturé de nouvelles informations sur l'histoire évolutive de la rétine des vertébrés.

Partie du cerveau enfermée dans l’œil, la rétine possède des circuits neuronaux complexes qui reçoivent des informations visuelles, qu’ils transmettent ensuite au reste du cerveau pour un traitement ultérieur. La rétine est fonctionnellement très différente d'une espèce à l'autre : par exemple, les chasseurs-cueilleurs humains ont développé une vision diurne nette, tandis que les souris possèdent une meilleure vision nocturne que les humains ; certains animaux voient en couleur, tandis que d'autres voient principalement en noir et blanc.

Mais au niveau moléculaire, à quel point les rétines sont-elles vraiment différentes ? Sanes, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley et du Broad Institute, a réalisé une nouvelle analyse comparative des types de cellules rétiniennes de 17 espèces, dont les humains, les poissons, les souris et les opossums. En utilisant le séquençage de l'ARN unicellulaire, qui leur a permis de différencier les types de cellules rétiniennes en fonction de leurs profils d'expression génétique, les découvertes des chercheurs ont bouleversé certaines idées reçues de longue date sur l'évolution du système visuel de certaines espèces.

Une découverte frappante concerne ce que l'on appelle les « cellules ganglionnaires rétiniennes naines », qui, chez l'homme, transportent 90 % des informations de l'œil au cerveau. Ces cellules donnent aux humains leur vision des moindres détails, et leurs modifications sont associées à des maladies oculaires telles que le glaucome. Aucune cellule apparentée n’a jamais été trouvée chez la souris, on a donc supposé qu’elles étaient uniques aux primates.

Dans leur analyse, Sanes et son équipe ont identifié pour la première fois des parents clairs de cellules ganglionnaires rétiniennes naines chez de nombreuses autres espèces, y compris les souris, bien que dans des proportions beaucoup plus faibles. Puisque les souris sont un animal modèle commun pour étudier le glaucome, être capable d’identifier ces cellules est une information potentiellement cruciale.

“Je pense que nous pouvons faire valoir de manière très convaincante que si vous souhaitez étudier ces cellules ganglionnaires rétiniennes humaines importantes chez une souris, ce sont ces cellules que vous souhaitez étudier”, a déclaré Sanes.

Fourni par la Harvard Gazette

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, le journal officiel de l'Université Harvard. Pour plus d’informations sur l’université, visitez Harvard.edu.