Le modèle le plus complet du métabolisme du cerveau, incorporant plus de 16 800 interactions biochimiques, a identifié des cibles clés pour inverser le déclin lié à l'âge de la fonction cérébrale. La nouvelle analyse des interactions complexes entre l'activité neuronale, le métabolisme et la circulation sanguine a révélé que la restauration de la chimie sanguine à des niveaux jeunes par l'alimentation, l'exercice et les suppléments pourrait améliorer la résilience du cerveau aux dommages. Les scientifiques peuvent désormais utiliser ce modèle pour trouver des moyens d'empêcher les maladies liées à l'âge, telles que la démence.
Un nouveau modèle open source du métabolisme du cerveau – le plus complexe jamais généré – a montré comment la modification des produits chimiques clés pourrait restaurer les cellules vieillies à leur activité jeune et à leur résilience.
Les chercheurs, écrivant dans Frontiers in Science, ont constaté que la réduction de la glycémie, ainsi que l'augmentation des taux de cétone sanguine et de lactate, pourraient aider à restaurer la fonction métabolique dans le cerveau vieillissant. Potentiellement, ceux-ci pourraient tous être réalisés grâce à des changements de style de vie, y compris l'exercice et la nourriture que nous mangeons.
Les résultats proviennent du modèle informatique le plus complet du métabolisme du cerveau à ce jour, qui intègre plus de 16 800 interactions biochimiques entre les protéines et les produits chimiques à travers les cellules du cerveau, les cellules de soutien et le sang.
Les scientifiques peuvent désormais utiliser ce modèle open source pour trouver des moyens d'empêcher les maladies liées à l'âge, telles que la démence.
Cette étude fournit une vue aux rayons X dans la batterie qui alimente le cerveau. Nous pouvons maintenant suivre comment le système énergétique du cerveau vieillit au niveau moléculaire. «
Henry Markram, professeur de neurosciences à École Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL), Suisse, auteur principal de l'étude
Résilience jeunesse
La simulation détaillée – une analyse des interactions complexes entre l'activité neuronale, le métabolisme et le flux sanguin – est basée sur les données des cerveaux humains et des rongeurs. Il donne un aperçu de la façon dont le métabolisme du cerveau se décompose avec l'âge et altère sa fonction, ainsi que l'identification des moyens potentiels exploitables de restaurer la résilience des jeunes. Nous imposons de fortes exigences sur les neurones de notre cerveau pour naviguer dans notre vie quotidienne. Cela nécessite beaucoup d'énergie et de soutien, qui provient de l'approvisionnement en sang et de la soutien des cellules «gliales» appelées astrocytes.
Pour comprendre l'impact du vieillissement sur le métabolisme du cerveau, l'équipe a inclus ces éléments dans leur modèle, qu'ils utilisaient pour comparer les états métaboliques des cerveaux jeunes et âgés. Au total, ils ont calculé l'impact des changements liés à l'âge sur 16 800 interactions entre les protéines et les produits chimiques entre les neurones, la glie et le sang. Le modèle a révélé que les changements dans les quantités de certaines molécules peuvent avoir des effets de prise de vue complexes, affectant de nombreuses réactions métaboliques différentes à la fois. Cela signifiait que les cellules étaient plus vulnérables aux dommages car elles étaient moins en mesure de s'adapter et de récupérer.
Il a également mis en évidence des cibles de médicament potentielles, ainsi que le bénéfice potentiel du supplément avec la nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) – une molécule qui joue un rôle vital dans l'approvisionnement énergétique du cerveau. Les suppléments de stimulation NAD ont été précédemment étudiés comme une thérapie de vieillissement sain potentielle.
Dr Polina Shichkova, l'auteur principal de la Frontières en science Étude, a déclaré: « Nous avons été surpris par les interdépendances des réactions moléculaires, de la régulation serrée et de la signalisation dans ce système. Nous avons montré comment la fragilité du métabolisme du cerveau résulte de l'effondrement de nombreuses voies métaboliques, pas une seule, une constatation qui appelle à plusieurs thérapies cibles. »
Une découverte au-delà des facteurs de style de vie
La découverte a permis à l'équipe de comprendre les mécanismes moléculaires complexes qui déterminent la robustesse, la flexibilité et l'adaptabilité du cerveau vieillissant. En modifiant les quantités de produits chimiques clés, les chercheurs ont constaté que les cellules vieillies pouvaient être rétablies à leur activité jeune et à leur résilience.
« Nos résultats vont au-delà de ce que nous savions déjà sur ces facteurs de style de vie », a déclaré Shichkova. « Notre modèle propose un mécanisme moléculaire détaillé de ces pratiques, qui aidera les chercheurs à développer des interventions plus précises ou efficaces. »
Les chercheurs ont également utilisé le modèle pour identifier les cibles médicamenteuses possibles qui pourraient restaurer la résilience aux cellules cérébrales. Ils ont identifié une protéine appelée récepteur alpha lié aux œstrogènes (ESRRA), qui est liée au déclin prédit lié à l'âge. Cette constatation pourrait conduire à des recherches supplémentaires sur le développement de traitements efficaces pour soutenir les neurones vieillissants.
« Bien qu'il existe généralement de nombreuses étapes entre les prédictions d'un modèle de calcul et les conseils pratiques pour les personnes, certaines des suggestions de notre modèle comprennent des suppléments déjà approuvés, des changements alimentaires ou des habitudes de vie », a déclaré Shichkova.
Un outil pour des recherches supplémentaires
Les chercheurs ont construit le modèle en utilisant des données accessibles au public détaillant l'activité gène des cellules cérébrales chez l'homme et les souris. Lorsqu'ils ont comparé ses résultats aux données expérimentales non utilisées pour la formation, le modèle a prédit avec précision les changements de l'activité biochimique dans les neurones avec l'âge. Cela a vérifié son utilité en tant qu'outil de recherche et la valeur de ses résultats.
Shichkova a déclaré: « Cette approche de modélisation était nécessaire en raison de la complexité du système, qui ne peut pas être facilement étudiée expérimentalement. Bien que le modèle soit construit à partir de données expérimentales, les prédictions de la simulation du comportement du réseau moléculaire guideront à leur tour des recherches biologiques supplémentaires. »
L'étude faisait partie du Blue Brain Project, qui visait à développer des simulations et des reconstructions du cerveau de souris. Le modèle sera disponible sur la plate-forme de cerveau ouverte hébergé par l'Open Brain Institute, permettant aux neuroscientifiques de gérer des simulations en fonction de la recherche.
L'équipe espère que cela aidera à accélérer la recherche sur les maladies neurodégénératives liées à l'âge, telles que la démence. Le métabolisme énergétique est une cause profonde potentielle de telles conditions, donc des recherches supplémentaires à ce sujet, ainsi que la validation des résultats chez les sujets humains, pourraient aider à trouver de nouvelles façons de stimuler les défenses du cerveau.
Cette étude a été soutenue par le financement du Blue Brain Project, un centre de recherche de l'École Polytechnique Fédéral de Lausanne, du gouvernement d'Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) du gouvernement suisse des instituts fédéraux suisses de technologie.
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