Identification des tunnels reliant les neurones dans le cerveau en développement
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Plus de cent ans après la découverte du neurone par le neuroanatomiste Santiago Ramón y Cajal, les scientifiques continuent d’approfondir leurs connaissances sur le cerveau et son développement. Dans une publication en Avancées scientifiques le 5 avril, une équipe de l’Institut Pasteur et du CNRS, en collaboration avec l’université d’Harvard, a révélé de nouvelles informations sur la façon dont les cellules des couches externes du cerveau interagissent immédiatement après la naissance lors de la formation du cervelet, la région du cerveau située à l’arrière de le crâne. Les scientifiques ont mis en évidence un nouveau type de connexion entre les cellules précurseurs neurales via des nanotubes, avant même la formation des synapses, les jonctions classiques entre les neurones.
En 2009, l’équipe de Chiara Zurzolo (unité Trafic membranaire et pathogenèse de l’Institut Pasteur) a identifié un nouveau mécanisme de communication directe entre cellules neuronales en culture via des tunnels nanoscopiques, appelés nanotubes tunnels. Ceux-ci sont impliqués dans la propagation de diverses protéines toxiques qui s’accumulent dans le cerveau lors de maladies neurodégénératives. Les nanotubes peuvent donc être une cible appropriée pour le traitement de ces maladies ou cancers, où ils sont également présents.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont découvert des tunnels nanoscopiques qui relient les cellules précurseurs du cerveau, plus précisément le cervelet – une zone qui se développe après la naissance et qui est importante pour effectuer des ajustements posturaux afin de maintenir l’équilibre – à mesure qu’ils mûrissent en neurones. Ces tunnels, bien que de tailles similaires, ont des formes différentes les uns des autres : certains contiennent des branches, d’autres pas, certains sont enveloppés par les cellules qu’ils relient tandis que d’autres sont exposés à leur environnement local. Les auteurs pensent que ces connexions intercellulaires (CI) peuvent permettre l’échange de molécules qui aident les cellules pré-neuronales à migrer physiquement à travers différentes couches et à atteindre leur destination finale à mesure que le cerveau se développe.
Curieusement, les CI partagent des similitudes anatomiques avec les ponts formés lorsque les cellules finissent de se diviser. “Les CI pourraient dériver de la division cellulaire mais persister lors de la migration cellulaire, donc cette étude pourrait éclairer les mécanismes permettant la coordination entre la division cellulaire et la migration impliqués dans le développement du cerveau. D’autre part, les CI établis entre les cellules après la mitose pourraient permettre un échange direct entre cellules au-delà des connexions synaptiques habituelles, ce qui représente une révolution dans notre compréhension de la connectivité cérébrale. Nous montrons qu’il n’y a pas que des synapses permettant la communication entre les cellules dans le cerveau, il y a aussi des nanotubes », explique le Dr Zurzolo, auteur principal et chef du Unité Trafic membranaire et pathogenèse (Institut Pasteur/CNRS).
Pour réaliser ces découvertes, les chercheurs ont utilisé une méthode de microscopie électronique tridimensionnelle (3D) et des cellules cérébrales de modèles de souris pour étudier comment les régions du cerveau communiquent entre elles. Des cartes de réseaux de neurones à très haute résolution ont ainsi pu être reconstruites. Le volume de cervelet 3D produit et utilisé pour l’étude contient plus de 2 000 cellules. « Si l’on veut vraiment comprendre le comportement des cellules dans un environnement tridimensionnel, et cartographier la localisation et la distribution de ces tunnels, il faut reconstruire tout un écosystème du cerveau, ce qui demande un effort extraordinaire avec une vingtaine de personnes impliquées sur 4 années », a déclaré le premier auteur de l’article, Diego Cordero.
Pour relever les défis de travailler avec le large éventail de types de cellules que contient le cerveau, les auteurs ont utilisé un outil d’IA pour distinguer automatiquement les couches corticales. De plus, ils ont développé un programme open-source appelé Cell Walker pour caractériser les caractéristiques morphologiques des segments 3D. Le bloc tissulaire a été reconstruit à partir d’images de coupes cérébrales. Ce programme mis à disposition gratuitement permettra aux scientifiques d’analyser rapidement et facilement les informations anatomiques complexes intégrées dans ces types d’images microscopiques.
La prochaine étape consistera à identifier la fonction biologique de ces tunnels cellulaires pour comprendre leur rôle dans le développement du système nerveux central et dans d’autres régions du cerveau, et leur fonction dans la communication entre les cellules cérébrales dans les maladies neurodégénératives et les cancers. Les outils informatiques développés seront mis à la disposition d’autres équipes de recherche à travers le monde.
