En intégrant diverses sources de données, les chercheurs dévoilent comment les mécanismes cellulaires influencent les modèles de connectivité cérébrale individuels, reliant les détails moléculaires aux fonctions cérébrales à grande échelle.
Étude: L'intégration à travers les échelles biophysiques identifie les corrélats moléculaires et cellulaires de la variabilité d'une personne à l'autre dans la connectivité du cerveau humain. Crédit d’image : Shutterstock AI/Shutterstock.com
Dans une étude récente publiée dans la revue Neurosciences naturelles, les chercheurs explorent les associations entre les alternances biochimiques et la connectivité fonctionnelle dans les régions du cerveau.
Sommaire
Nouvelles approches de la recherche en neurosciences
L’un des principaux objectifs des neurosciences est d’élucider le rôle des composants à l’échelle microscopique, notamment les molécules protéiques et les structures cellulaires, dans la communication entre des régions distinctes du cerveau. À ce jour, les mécanismes moléculaires impliqués dans la connectivité fonctionnelle au sein du cerveau restent flous malgré des recherches moléculaires et en neuroimagerie révélant indépendamment des corrélations entre la cognition et la fonction cérébrale.
À ce jour, les données de neuroimagerie ante-mortem et les données omiques moléculaires post-mortem ont été collectées séparément et, rarement, auprès du même individu, ce qui a empêché l'analyse de comparaisons de données ante- et post-mortem spécifiques au patient.
Une solution potentielle à cette lacune dans les données consiste à acquérir plusieurs lignes de données ante mortem et post mortem à partir d’un pool d’échantillons humains cohérent. Cependant, la complexité de cette approche a empêché la validation de cette hypothèse.
À propos de l'étude
La présente étude a utilisé six sources de données uniques, notamment des analyses ante- et post-mortem de volontaires âgés, pour identifier les mécanismes moléculaires impliqués dans la connectivité cérébrale. La cohorte d'étude comprenait 98 adultes, dont 77 % étaient des femmes, issus de l'étude sur les ordres religieux et du projet Rush Memory and Aging (ROSMAP).
De leur vivant, les patients ont subi une imagerie par résonance magnétique (IRM) et ont fourni des échantillons pour le séquençage génétique. L'abondance des protéines, l'expression des gènes et la morphométrie de la colonne dendritique ont été déterminées après la mort. La collecte de données comprenait des évaluations cliniques annuelles, parallèlement à la collecte de données ante mortem et aux dons de cerveau des participants pour les données post mortem.
Puisque le nombre élevé de protéines identifiées peut différer dans leurs abondances relatives et leurs niveaux d’expression entre les participants et dans la connectivité des régions cérébrales, les chercheurs se sont concentrés sur la connectivité entre le gyrus frontal supérieur (SFG) et le gyrus temporal inférieur (ITG).
Les procédures expérimentales comprenaient des analyses IRM structurelles et fonctionnelles (IRMf) pour l'obtention de données de neuroimagerie, la spectrométrie de masse multiplex en tandem (TMT-MS) et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LS-MS/MS) pour l'analyse protéomique, le dosage de l'acide bicinchoninique. pour l'estimation de la concentration en protéines et la plateforme Illumina TruSeq pour les données transcriptomiques. Pour les évaluations de la morphométrie de la colonne dendritique, les échantillons excisés de SFG et d'ITG ont été soumis à une coloration de Golgi-Cox suivie d'une imagerie par microscopie en champ clair.
Les données d'IRMf à l'état de repos de l'atlas fonctionnel Schaefer2018 ont été utilisées pour séparer le cerveau en régions fonctionnellement homogènes, permettant ainsi d'estimer la connectivité fonctionnelle entre SFG et ITG. L'atlas Desikan-Killiany-Tourville (DKT), en tandem avec la plateforme de surface corticale Freesurfer, a été utilisé pour dériver la covariation structurelle à partir des données morphologiques cérébrales des participants.
L'estimation du modèle moléculaire à l'aide de SpeakEasy, la caractérisation protéomique à partir de la base de données GSEA et les analyses d'association au niveau des modules et des molécules ont également été effectuées.
Résultats de l'étude
L'âge moyen des participants au moment de l'imagerie IRM et de la mortalité était respectivement de 88 et 91 ans. Les attributs structurels extraits de l'atlas fonctionnel Schaefer2018 ont été combinés avec les ensembles de données de l'atlas DKT pour séparer le cerveau en 62 régions anatomiques uniques. Les analyses protéomiques des systèmes moléculaires SFG et ITG ont révélé un chevauchement significatif de gènes et de protéines entre ces régions.
La caractérisation de la morphologie de la colonne dendritique en tandem avec l'analyse GSEA a révélé un enrichissement associé aux protéines dans la densité de la colonne vertébrale, les synapses et les cytosquelettes d'actine. Les associations fonctionnelles, notamment la libération de neurotransmetteurs et la signalisation synaptique, ont également été enrichies. Notamment, le SFG et l'ITG différaient statistiquement par la densité de leur colonne vertébrale, leur densité de filopodes et leur diamètre de tête de champignon.
L’étude actuelle a validé la pertinence d’utiliser à l’unisson les données ante mortem et post mortem en mettant en évidence les abondances moléculaires et les modèles de connectivité cérébrale. Ces modèles démontrent une spécificité régionale significative, nécessitant ainsi de futures recherches sur la connectivité entre d'autres régions du cerveau. Les données moléculaires et de neuroimagerie ont indiqué une forte concordance avec les résultats, confirmant la robustesse de cette approche.
Notre étude a des implications plus larges dans la mesure où elle démontre la faisabilité de détecter la synchronie entre des systèmes de différentes échelles chez l’homme, ce qui constitue une étape vers une compréhension plus cohérente du fonctionnement cérébral.
Conclusions
La présente étude est la première à combiner les données ante mortem et post mortem des mêmes individus. Ces résultats révèlent des centaines de protéines uniques associées à la connectivité des régions cérébrales, dont 12 présentaient des associations causales, tandis que d'autres présentaient des contributions structurelles.
Ces résultats permettent de mieux comprendre les différentes associations moléculaires impliquées dans la connectivité des régions cérébrales. Les chercheurs ont également caractérisé avec succès un ensemble robuste de signatures moléculaires qui peuvent être utilisées pour de futures enquêtes sur la connectivité et pour la recherche sur la découverte de médicaments pour le cerveau.
L’acquisition de données sur les principales perspectives des neurosciences humaines à partir du même ensemble de cerveaux est fondamentale pour comprendre comment le fonctionnement du cerveau humain est soutenu à plusieurs échelles biophysiques.
