Des chercheurs de Johns Hopkins Medicine affirment avoir utilisé une technologie de « zap-and-freeze » pour observer les communications des cellules cérébrales difficiles à voir dans les tissus cérébraux vivants de souris et d'humains.
Les résultats des nouvelles expériences, soutenus par les National Institutes of Health et publiés le 24 novembre dans Neuronepourrait potentiellement aider les scientifiques à trouver les causes profondes des formes non héréditaires de la maladie de Parkinson, affirment les chercheurs.
Les cas sporadiques de la maladie de Parkinson représentent la plupart des cas de troubles neurodégénératifs, selon la Fondation Parkinson. La condition est marquée par des perturbations du point de signalisation entre deux cellules cérébrales. Ce point de connexion, connu sous le nom de synapse, est notoirement difficile à étudier, explique Shigeki Watanabe, Ph.D., professeur agrégé de biologie cellulaire à Johns Hopkins Medicine, qui a dirigé la recherche.
Nous espérons que cette nouvelle technique de visualisation de la dynamique des membranes synaptiques dans des échantillons vivants de tissus cérébraux pourra nous aider à comprendre les similitudes et les différences dans les formes non héréditaires et héréditaires de la maladie. »
Shigeki Watanabe, Ph.D., professeur agrégé de biologie cellulaire, Johns Hopkins Medicine
À terme, dit-il, cette approche pourrait contribuer au développement de traitements pour la maladie neurodégénérative.
Comprendre les causes profondes de la maladie de Parkinson
Dans les cerveaux sains, les vésicules synaptiques ou les bulles porteuses de messages dans les cellules cérébrales contribuent au transfert d'informations de cellule à cellule dans le cadre d'un processus essentiel au traitement de l'information, à l'apprentissage et à la formation de souvenirs. Comprendre ce processus est essentiel pour identifier où la communication cellulaire se décompose dans des conditions neurodégénératives, explique Watanabe.
Auparavant, Watanabe a contribué au développement de la technique zap-and-freeze pour permettre d'examiner de plus près les mouvements de la membrane synaptique (ces résultats ont été publiés en 2020 dans Neurosciences naturelles). Essentiellement, la technique consiste à utiliser une impulsion électrique pour stimuler les tissus cérébraux vivants, puis à congeler rapidement les tissus pour capturer le mouvement cellulaire en vue de l'observation en microscopie électronique.
Dans une étude publiée plus tôt cette année dans Neurosciences naturellesWatanabe a utilisé l'approche dans le cerveau de souris génétiquement modifiées pour comprendre comment une protéine clé, l'intersection, maintient les vésicules synaptiques à un endroit particulier dans une cellule cérébrale jusqu'à ce qu'elles soient prêtes à être libérées pour activer une cellule cérébrale voisine.
Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé des échantillons de cerveaux de souris normales ainsi que du tissu cérébral cortical vivant prélevé avec la permission de six personnes subissant un traitement chirurgical pour l'épilepsie à l'hôpital Johns Hopkins. Les interventions chirurgicales étaient médicalement nécessaires pour éliminer les lésions de l'hippocampe cérébral.
En collaboration avec les scientifiques Jens Eilers et Kristina Lippmann de l'Université de Leipzig en Allemagne, les chercheurs ont d'abord validé l'approche zap-and-freeze en observant la signalisation calcique, un processus qui déclenche la libération de neurotransmetteurs par les neurones dans les tissus cérébraux vivants de souris.
Ensuite, les scientifiques ont stimulé les neurones du tissu cérébral de souris avec l'approche zap-and-freeze et ont observé où les vésicules synaptiques fusionnent avec les membranes des cellules cérébrales, puis libèrent des produits chimiques appelés neurotransmetteurs qui atteignent d'autres cellules cérébrales. Les scientifiques ont ensuite observé comment les cellules cérébrales de souris recyclent les vésicules synaptiques après leur utilisation pour la communication neuronale, un processus connu sous le nom d'endocytose qui permet aux neurones d'absorber le matériel.
Les chercheurs ont ensuite appliqué la technique du « zap-and-freeze » à des échantillons de tissus cérébraux provenant de personnes épileptiques et ont observé la même voie de recyclage des vésicules synaptiques opérant dans les neurones humains.
Dans les échantillons de cerveau de souris et d'humain, la protéine Dynamin1xA, essentielle au recyclage ultrarapide de la membrane synaptique, était présente là où l'endocytose se produirait sur la membrane de la synapse.
« Nos résultats indiquent que le mécanisme moléculaire de l'endocytose ultrarapide est conservé entre les souris et les tissus cérébraux humains », explique Watanabe, suggérant que les recherches menées dans ces modèles sont précieuses pour comprendre la biologie humaine.
Dans de futures expériences, Watanabe dit qu'il espère exploiter la technique du zap-and-freeze pour étudier la dynamique des vésicules synaptiques dans des échantillons de tissus cérébraux prélevés avec la permission de patients atteints de la maladie de Parkinson subissant une stimulation profonde des tissus cérébraux.
Le soutien financier pour cette recherche a été fourni par les National Institutes of Health (U19 AG072643, 1DP2 NS111133-01, 1R01 NS105810-01A1, R35 NS132153, S10RR026445), le Howard Hughes Medical Institute, la Fondation Kazato, les associations caritatives américaines libanaises syriennes associées, le laboratoire de biologie marine, l'université de Leipzig, la Roland Ernst Stiftung, Johns Hopkins Medicine, Chan Zuckerberg Initiative, Brain Research Foundation, Helis Foundation, Robert J Kleberg Jr et Helen C Kleberg Foundation, McKnight Foundation, Esther A. & Joseph Klingenstein Fund et la Fondation Vallée.
Outre Watanabe, les autres scientifiques qui ont contribué à ces travaux comprennent Chelsy Eddings, Minghua Fan, Yuuta Imoto, Kie Itoh, Xiomara McDonald, William Anderson, Paul Worley et David Nauen de Johns Hopkins, ainsi que Jens Eilers et Kristina Lippmann de l'Université de Leipzig, en Allemagne.
