Les neurones reçoivent des milliers de signaux via des extensions arborescentes appelées dendrites. Jusqu’à présent, on pensait que ces dendrites étaient des câbles relativement lisses qui conduisaient les signaux électriques vers le corps cellulaire. Une équipe de recherche internationale dirigée par l’hôpital universitaire de Bonn (UKB), l’université de Bonn et le DZNE a déterminé que ce tableau est incomplet. À l’aide de diverses techniques de microscopie avancées, il a identifié de minuscules constrictions jusqu’alors négligées le long des dendrites. Ces structures nouvellement découvertes, que les chercheurs appellent constrictions de la tige dendritique, ne mesurent que quelques centaines de nanomètres de large – environ 500 à 1 000 fois plus fines qu’un cheveu humain – et se trouvent dans divers types de neurones du cerveau de la souris et de l’humain. Les résultats de l’étude ont maintenant été publiés dans la revue Avancées scientifiques.
De petites projections arborescentes, appelées dendrites, fonctionnent comme des antennes de réception des neurones. Ils captent les signaux électriques d’autres cellules nerveuses et transmettent ces informations au corps cellulaire, les épines dendritiques servant de points de contact pour d’autres neurones. Les dendrites permettent ainsi la communication au sein du système nerveux. Puisqu’ils peuvent modifier leur forme et le nombre de leurs branches pour stocker de nouvelles informations, ils jouent également un rôle central dans ce que l’on appelle la plasticité neuronale et, par conséquent, dans les processus d’apprentissage et de mémoire.
La structure des dendrites est étroitement liée à leur fonction. Les épines dendritiques, avec leurs têtes bulbeuses reliées à la dendrite par un col fin, en sont des exemples typiques. Avec des diamètres allant de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, les cols des épines forment des compartiments essentiels à la fonction et à la plasticité. En revanche, les tiges de dendrites sont traditionnellement interprétées comme des câbles lisses et continus.
Bien que les épines dendritiques soient connues depuis longtemps en raison de leur prévalence, les constrictions du diamètre de la tige que nous avons découvertes n’ont pas été documentées auparavant. Un autre facteur était que le diamètre de ces constrictions variait de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, ce qui est inférieur à la limite de résolution de la microscopie optique conventionnelle. Même dans les ensembles de données de microscopie électronique à haute résolution, de telles variations locales de diamètre peuvent avoir été considérées jusqu’à présent comme des irrégularités aléatoires plutôt que comme des structures biologiquement significatives. »
M. Tony Kelly, premier auteur, postdoc dans le groupe de recherche du professeur Heinz Beck, Institut d’épileptologie expérimentale et de recherche cognitive, UKB et Université de Bonn
En collaboration avec de nombreux experts en microscopie à haute résolution, dont le professeur Ulrich Kubitscheck de l’Institut Clausius de chimie physique et théorique de l’Université de Bonn et le professeur Valentin Nägerl de l’Institut d’anatomie et de biologie cellulaire de l’Université de Göttingen, l’équipe de recherche a pu utiliser plusieurs méthodes pour identifier des constrictions localisées dans le diamètre de la tige dendritique, qu’ils appellent constrictions de la tige dendritique (DSC). En utilisant une combinaison de techniques d’imagerie à haute résolution, notamment la microscopie à expansion, la microscopie STED (Stimulated Emission Depletion), la microscopie à sonde à balayage et la microscopie électronique en série, ils démontrent que les dendrites des neurones de souris et humains présentent des constrictions de diamètre localisées à l’échelle nanométrique le long de leurs tiges. Des simulations et des expériences informatiques suggèrent que ces constrictions peuvent diviser les dendrites en petits compartiments électriques. Les signaux arrivant au-delà d’une constriction peuvent devenir localement plus forts, alors qu’ils sont transmis moins efficacement au corps cellulaire. Cela favorise également l’activation des récepteurs NMDA, qui sont importants pour les modifications de la force synaptique et pour les processus d’apprentissage.
« Nos résultats révèlent donc une caractéristique structurelle jusqu’alors méconnue qui pourrait permettre à des dendrites individuelles de traiter l’information localement plutôt que de simplement la relayer », explique le dernier auteur, le professeur Beck, membre du pôle d’excellence ImmunoSensation3 et du domaine de recherche transdisciplinaire (TRA) « Vie et santé » de l’Université de Bonn. « Les constrictions des arbres dendritiques pourraient représenter un nouvel élément fondamental dans la manière dont les neurones effectuent des calculs complexes, bien que leur rôle biologique précis et la manière dont ils se forment restent à déterminer. »
