Les cellules appelées astrocytes sont à peu près aussi abondantes dans le cerveau que les neurones, mais les scientifiques ont passé beaucoup moins de temps à comprendre comment ils contribuent aux fonctions cérébrales. Une nouvelle étude des chercheurs du MIT au Picower Institute for Learning and Memory montre qu'une fonction semble maintenir les conditions chimiques nécessaires pour que des groupes de neurones s'associent pour coder les informations.
Plus précisément, les neuroscientifiques ont montré que lorsqu'ils ont éliminé la capacité des astrocytes dans le cortex visuel des souris à produire une protéine appelée « GABA Transporter 3 (GAT3) », les neurones sont devenus moins capables en tant que groupe pour représenter des informations sur les films Lab Lab Lab. Le GABA est un neurotransmetteur inhibiteur commun qui aiguise l'activité neuronale et les astrocytes utilisent de manière unique GAT3 pour réguler le niveau ambiant de GABA dans leur région. Dans l'étude en elifeéliminant le GAT3 dans le cortex visuel a laissé des neurones à la ragoût dans une soupe d'excès de GABA qui n'a produit que des effets subtils sur les neurones individuels, mais a néanmoins ajouté une altération importante de leurs efforts en tant qu'ensemble responsable de la fonction visuelle.
Même si les changements au niveau d'un seul neurone représentant un stimulus visuel ne changent pas de manière significative, si une centaine de neurones ont de petits changements, ce qui pourrait s'additionner au niveau de la population à un changement significatif mesurable. «
Mriganka Sur, auteur principal, Paul et Lilah Newton Professeur au Picower Institute et au Département du cerveau et des sciences cognitives du MIT (BCS)
Notamment, les auteurs ont écrit elifeIl s'agit de la première étude chez des souris vivantes de GAT3 à des échelles couvrant des cellules individuelles et des ensembles fonctionnels de centaines d'entre eux.
Pour faire la découverte, Jiho Park, étudiant diplômé de BCS, a utilisé une nouvelle mise en œuvre de l'édition de gènes CRISPR / CAS9 pour éliminer le GAT3 combiné à des analyses statistiques et informatiques de l'activité neuronale au niveau de la population, a déclaré Sur.
Gatant
Comme les neuroscientifiques ont étudié le système visuel du cerveau au cours de nombreuses décennies, les neurones ont revendiqué la majeure partie de leur attention car ils sont électriquement actifs et plus facilement ciblés génétiquement, a déclaré Sur. La technologie de suivi de l'activité des astrocytes et de manipulation de leur fonction ne s'est pas développée aussi rapidement. Mais en 2019, les National Institutes of Health ont accordé à Sur SUR pour développer de meilleurs outils pour étudier les astrocytes. Ce financement a aidé le laboratoire à créer la variante de CRISPR / CAS9 qu'ils appellent MRCUTS qui a permis la nouvelle étude. L'outil leur a permis d'utiliser un seul vecteur viral pour cibler le gène qui code GAT3 pour plusieurs coupes. Cette attaque multiplexée l'a éliminée de manière décisive et précisément éliminée dans les astrocytes du cortex visuel.
Une fois que Park a éliminé GAT3, elle pouvait voir les effets de son absence en suivant visuellement l'activité calcique des neurones, un indicateur indirect de leur activité électrique. Les conséquences ont été plus subtiles que l'équipe ne s'attendait. Awash de GABA, les neurones ont tiré moins robuste et moins de manière fiable. Lorsque les souris ne regardaient qu'un écran gris, au lieu de films, les neurones s'activaient spontanément moins souvent.
Mais à la surprise des chercheurs, lorsque GAT3 était parti, les neurones ont toujours fait leur travail. Les cellules qui en présence de GAT3 étaient sensibles aux différentes caractéristiques des images que les souris voyaient, comme l'orientation des lignes, sont restées réactives même après que GAT3 a été éliminée. Bien que les niveaux ambiants de GABA soient plus élevés, des paires de neurones partageaient toujours le GABA à travers leurs connexions directes, ou «synapses», comme précédemment, ce qui signifie que leur dialogue direct les uns avec les autres n'a pas changé.
« Nous nous attendions à voir des changements dans le réglage de l'orientation entre autres, mais nous ne l'avons pas vu », a déclaré Park. « C'est pourquoi nous avons examiné des niveaux d'analyse plus profonds pour voir s'il y a une différence. »
Travail d'équipe perturbé
Cette analyse plus profonde s'est produite au niveau des ensembles neuronaux plus larges, où Park a utilisé plusieurs méthodes statistiques et de calcul pour analyser comment les informations collectives codaient par des centaines de neurones ont changé lorsque GAT3 a été éliminé.
En utilisant une méthode statistique appelée «modèle linéaire généralisé» pour analyser les modèles d'activité à travers l'ensemble, Park a découvert que lorsque GAT3 a été éliminé, l'activité des neurones est devenue moins prédictive de l'activité des autres dans le groupe par rapport au moment où GAT3 était présent. Cela a indiqué que si les neurones individuels pourraient encore faire ce qu'ils étaient censés faire, leur coordination était altérée. Pendant ce temps, l'utilisation d'un décodeur basé sur une « machine à vecteur de support » pour discerner les informations que les ensembles représentaient, elle a constaté que lorsque GAT3 était présent, le décodeur pouvait améliorer son évaluation car plus de neurones étaient ajoutés à son échantillon. Mais lorsque le GAT3 a été éliminé, le décodeur ne pouvait plus déterminer les informations représentées, même si sa taille d'échantillon augmentait.
« Les déficits de décodage suivant l'ablation de GAT3 fournissent des preuves que la régulation astrocytaire du GABA ambiant est essentielle pour organiser les modèles d'activité neuronale coordonnés nécessaires à un codage d'informations efficace dans les réseaux corticaux visuels », ont écrit les auteurs dans elife.
Cas cliniques
La conclusion selon laquelle un manque de GAT3 perturbe la coordination neuronale au niveau de la population pourrait aider à expliquer les observations cliniques que la réduction du GAT3 du thalamus augmente le risque de crise, l'augmentation du GAT3 du striatum contribue aux comportements répétitifs et la réduction de Gat3 dans le Globus pallidus altère la coordination motrice, a déclaré Park.
« Parce que notre étude est la première à examiner les effets du GAT3 au niveau de la population, cela pourrait aider à lier cela à certains des phénotypes comportementaux que les gens ont vu », a déclaré Park. Mais davantage de recherches sont nécessaires, a noté Sur, car il existe d'autres protéines GAT, telles que GAT1, que le cerveau pourrait utiliser pour compenser.
En plus de Park and Sur, les autres auteurs du journal sont Grayson Sipe, Xin Tang, Prachi Ojha, Giselle Fernandes, Yi Ning Leow, Caroline Zhang, Yuma Osako, Arundhati Natesan, Gabrielle Drummond et Rudolf Jaenisch.
The National Institutes of Health, A Muri Grant, la Simons Foundation Autism Research Initiative, la Freedom Together Foundation et le Picower Institute for Learning and Memory ont financé l'étude.
