Des chercheurs du Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI) ont développé une nouvelle technique d’imagerie capable de visualiser la structure changeante dynamiquement des épines dendritiques avec une résolution sans précédent. En combinant deux types de microscopies de pointe, les scientifiques du MPFI disposent désormais des outils nécessaires pour démêler les complexités ultrastructurales des épines au cours du processus de plasticité synaptique.
Pour la plupart, le claquement incessant des obturateurs de l’appareil photo est un son trop familier associé aux voyages et aux vacances. Lorsqu’ils s’aventurent dans un nouvel endroit, les voyageurs du monde entier sont constamment à la recherche de cette photo parfaite et digne d’Instagram. Persévérant à travers de nombreuses prises, les photographes amateurs combattent les arrière-plans flous, les yeux fermés et les passants bombardés de photos, tous à la recherche de cette image parfaite toujours insaisissable.
Il s’avère que les neuroscientifiques sont très similaires aux voyageurs à cet égard, développant et pratiquant constamment de nouvelles façons de prendre des images parfaites et cristallines. Mais au lieu de décors naturels pittoresques ou de scènes urbaines saisissantes, les neuroscientifiques s’intéressent aux instantanés détaillés des cellules du cerveau et de leurs structures à petite échelle.
Le laboratoire Yasuda du MPFI connaît incroyablement bien les structures cérébrales à petite échelle, se concentrant sur l’étude des changements dynamiques dans de minuscules compartiments synaptiques appelés épines dendritiques. Des changements robustes dans la structure de la colonne vertébrale, connus sous le nom de plasticité structurelle, permettent aux synapses de moduler de manière robuste leur force de connexion.
Ce faisant, les cellules du cerveau peuvent activement renforcer les connexions importantes et affaiblir celles qui sont moins nécessaires. On pense que ce processus sous-tend la façon dont nous apprenons et nous souvenons. Mais révéler en détail les fines structures des épines au cours d’un processus aussi dynamique est une entreprise difficile. Jusqu’à récemment, les méthodologies d’imagerie n’avaient pas les capacités pour le faire.
Dans une publication récente en Le Journal des Neurosciences, les chercheurs du Yasuda Lab ont développé une nouvelle stratégie d’imagerie puissante capable de visualiser les changements ultrastructuraux fins des épines dendritiques au cours de la plasticité structurelle. En modifiant et en s’appuyant sur une technique d’imagerie établie connue sous le nom de microscopie optique et électronique corrélative (CLEM), les scientifiques du MPFI ont exploité le meilleur des deux modalités d’imagerie.
« Les épines dendritiques sont des compartiments neuronaux à si petite échelle qu’il est difficile d’obtenir une image précise de ce qui se passe réellement en termes de changements structurels à l’aide de méthodes d’imagerie traditionnelles », explique le Dr Ryohei Yasuda, directeur scientifique du MPFI.
En utilisant des techniques optiques plus standard comme la microscopie à 2 photons, les épines dendritiques ressemblent à des sphères lisses. En réalité, nous savons, grâce à l’utilisation de méthodes d’imagerie plus puissantes, comme la microscopie électronique, que la taille et la forme réelles des épines sont beaucoup plus complexes. Nous voulions donc savoir quels changements se produisent au cours des différentes étapes de la plasticité structurelle, à une résolution nous permettant d’examiner plus en profondeur la complexité de la colonne vertébrale. »
Dr Ryohei Yasuda, directeur scientifique, Max Planck Florida Institute for Neuroscience
L’équipe MPFI a d’abord induit une plasticité structurelle dans des épines dendritiques uniques à l’aide de la microscopie optique à 2 photons et du décapage du glutamate. La colonne vertébrale induite a ensuite été fixée dans le temps à l’un des trois points temporels distincts, représentant les principales étapes de la plasticité structurelle.
En étroite collaboration avec le noyau de microscopie électronique (EM) de MPFI, des échantillons de tissu cérébral contenant les épines stimulées ont été découpés en sections ultrafines à l’aide d’un appareil spécialisé appelé ATUMtome. Ces sections ont ensuite été réimagées en utilisant le pouvoir de résolution extrême du microscope électronique pour révéler les détails ultrastructuraux et reconstruire des images précises de la topographie complexe de la colonne vertébrale.
« Lorsque nous avons commencé ce projet, notre objectif était de voir s’il était même possible de collecter des épines à différents stades de la plasticité structurelle, de les déplacer avec succès et de résoudre leur ultrastructure à l’aide de l’EM », décrit Ye Sun, Ph.D., ancien diplômé. Étudiant au Yasuda Lab et premier auteur de la publication. « Des formes uniques de plasticité structurelle spécifiques à la colonne vertébrale n’ont jamais été imagées de cette manière auparavant. Le Dr Naomi kamasawa, responsable du noyau EM de MPFI, a joué un rôle déterminant dans l’établissement et l’optimisation de notre flux de travail EM pour le projet. »
En examinant les images de la colonne vertébrale reconstruites, l’équipe MPFI a remarqué des changements uniques dans une région riche en protéines des épines dendritiques, appelée densité postsynaptique (PSD). Cette région est d’une importance critique pour la colonne vertébrale, impliquée dans la régulation de la force et de la plasticité synaptiques. Les chercheurs du MPFI ont découvert que par rapport aux épines de contrôle, la surface et la taille de la région PSD étaient significativement plus grandes dans les épines qui ont subi une plasticité structurelle.
La croissance du PSD dans ces épines s’est produite sur une échelle de temps plus lente, nécessitant des heures pour atteindre son changement maximal. Fait intéressant, alors que la croissance était à une échelle plus lente, la structure du PSD dans les épines stimulées s’est réorganisée à un rythme rapide. Après l’induction de la plasticité structurelle, la complexité PSD a immédiatement augmenté, transformant considérablement la forme et les caractéristiques structurelles.
« Notre stratégie d’imagerie met en synergie le meilleur des microscopies optiques et EM, nous permettant d’étudier des changements structurels de la colonne vertébrale jamais vus auparavant dans une résolution à l’échelle nanométrique », note le Dr Yasuda. « Pour l’avenir, notre laboratoire souhaite utiliser ce nouveau protocole en combinaison avec des techniques moléculaires avancées, telles que SLENDR, pour étudier la dynamique des protéines individuelles en tandem avec des changements structurels finement détaillés au cours de la plasticité structurelle de la colonne vertébrale.
