Les humains et les animaux détectent différents stimuli tels que la lumière, le son et l’odeur à travers les cellules nerveuses, qui transmettent ensuite l’information au cerveau. Les cellules nerveuses doivent être capables de s’adapter au large éventail de stimuli qu’elles reçoivent, qui peuvent aller de très faibles à très forts. Pour ce faire, ils peuvent devenir plus ou moins sensibles aux stimuli (sensibilisation et accoutumance), ou ils peuvent devenir plus sensibles aux stimuli plus faibles et moins sensibles aux stimuli plus forts pour une meilleure réactivité globale (contrôle du gain). Cependant, la manière exacte dont cela se produit n’est pas encore comprise.
Pour mieux comprendre le processus de contrôle du gain, une équipe de recherche dirigée par le professeur Kimura de la Nagoya City University au Japon a étudié le ver rond C. elegans. Ils ont constaté que, lorsque le ver sent pour la première fois une odeur désagréable, ses cellules nerveuses présentent une réponse importante, en augmentation rapide et continue aux stimuli faibles et forts. Cependant, après exposition à l’odeur, la réponse est plus faible et plus lente aux stimuli faibles mais reste importante aux stimuli forts, similaire à la réponse à la première exposition à l’odeur. Parce que l’expérience de l’exposition aux odeurs provoque un mouvement plus efficace des vers loin de l’odeur, les cellules nerveuses ont modifié leur réponse pour mieux s’adapter au stimulus en utilisant le contrôle de gain.
Ensuite, les chercheurs ont utilisé la modélisation mathématique pour comprendre ce processus. La modélisation mathématique est un outil puissant qui peut être utilisé pour mieux comprendre les processus biologiques complexes. Ils ont découvert que la « réponse à la première odeur » se compose de composants rapides et lents, tandis que la « réponse après exposition » ne comprend que le composant lent, ce qui signifie que l’expérience de l’odeur inhibe le composant rapide pour obtenir un contrôle du gain. Ils ont en outre découvert que les deux réponses pouvaient être décrites par une simple équation différentielle et que les composantes lente et rapide correspondent à l’intégration non étanche d’un premier et second terme dérivé de la concentration d’odeur que le ver détecte, respectivement. Les résultats de cette étude ont montré que l’expérience olfactive préalable ne semble inhiber que le mécanisme requis pour la composante rapide.
Sur la base de ces résultats, l’équipe de recherche a en outre supposé que les différentes réponses des cellules nerveuses pour le contrôle du gain peuvent être régulées par un processus relativement simple impliquant des gènes. Ils ont alors en effet trouvé un ensemble de gènes (régulateur de la protéine G et protéine kinase G) nécessaires au processus.
Les résultats de cette étude représentent une utilisation perspicace de la modélisation mathématique pour élucider la base de l’activité des cellules nerveuses et démontrer le potentiel d’élargissement de notre compréhension des phénomènes de la vie en combinant des modèles mathématiques avec diverses expériences biologiques.
Le résultat de la modélisation était totalement surprenant. Étant donné que de multiples aspects des réponses des cellules nerveuses sont différents, nous nous attendions à ce que des processus plus complexes soient impliqués. Le modèle simple nous a encouragés à trouver des gènes clés qui modifient tous les aspects de la différence, et nous pensons que nous l’avons fait. »
Koutarou D. Kimura, professeur, Université de la ville de Nagoya
En conclusion, cette recherche souligne l’importance de la modélisation mathématique pour mieux comprendre les processus biologiques complexes. En combinant des modèles mathématiques avec des expériences biologiques, les chercheurs peuvent acquérir de nouvelles connaissances sur le fonctionnement des cellules et des organismes et proposer de nouvelles expériences, qui pourraient ne pas être possibles sans modélisation. Cela peut finalement conduire à de nouvelles percées dans les domaines de la biologie et de la médecine.
