Les souvenirs et les processus d'apprentissage reposent sur des modifications des connexions neuronales du cerveau et, par conséquent, sur la transmission des signaux entre les neurones. Pour la première fois, les chercheurs du DZNE ont observé un phénomène associé dans le cerveau vivant, en particulier chez la souris. Ce mécanisme concerne le générateur d'impulsions cellulaires pour les signaux neuronaux (le « segment initial de l'axone ») et n'avait auparavant été documenté que dans des cultures cellulaires et dans des échantillons de cerveau. Une équipe dirigée par le neuroscientifique Jan Gründemann en parle dans la revue « Nature Neuroscience », aux côtés d'experts de Suisse, d'Italie et d'Autriche. Leur étude met en lumière la capacité d’adaptation du cerveau. Les chercheurs ont ensuite l'intention d'étudier l'importance de ces résultats dans la maladie d'Alzheimer.
Dans le cerveau, les neurones se ramifient et se connectent les uns aux autres pour former un réseau à travers lequel les signaux électriques sont activement échangés. Cette structure en réseau est une composante essentielle du « matériel » du cerveau et est donc fondamentale pour son fonctionnement, notamment en ce qui concerne les processus d’apprentissage et la formation de la mémoire. Cependant, cette architecture complexe et la transmission du signal à travers ce réseau ne sont pas figées ; ils peuvent changer à la suite d'expériences et d'événements. Cette flexibilité, également appelée « neuroplasticité », est à la base de la capacité d’adaptation du cerveau.
Sommaire
Stimulateur neuronal
La plasticité neuronale dépend en grande partie de la capacité à ajuster la force des connexions et la transmission du signal entre les neurones. Si l'on considère ces cellules comme des stations relais, leur « force de couplage » détermine l'efficacité avec laquelle les signaux sont transmis d'une cellule à l'autre et leur propagation au sein du réseau neuronal. Jan Gründemann, chef d'un groupe de recherche au DZNE et professeur à l'Université de Bonn, et ses collègues ont pu observer comment la section qui génère le signal électrique change. La plupart des neurones possèdent un tel « segment initial d'axone », caractérisé par une densité particulièrement élevée de canaux ioniques spécifiques. « Le segment initial de l'axone détermine si une impulsion nerveuse est générée ou non », explique le neuroscientifique. « Grâce à des méthodes de microscopie spécialisées, deux membres de notre équipe, Chloé Benoit et Dan Ganea, ont pu suivre la taille de ces segments dans le cerveau vivant lors d'un apprentissage, c'est une première. Jusqu'à présent, les segments initiaux des axones étaient majoritairement mesurés dans des cultures cellulaires ou des échantillons de tissus. Nous les avons désormais suivis dans le cerveau sur plusieurs jours dans le cadre d'un apprentissage. »
Parfois plus long, parfois plus court
Les résultats sont basés sur des études menées sur des souris : lors d'une expérience comportementale, les animaux ont appris à réagir à différentes situations, apprenant ainsi de leurs expériences et de leurs souvenirs et ajustant leur comportement en conséquence. Les chercheurs ont observé des neurones individuels chez des animaux vivants avant et après les séances d'entraînement. Ils ont pu localiser à plusieurs reprises des cellules nerveuses spécifiques et leurs segments initiaux d’axone et ainsi enregistrer les changements au fil du temps. Plus précisément, ils ont examiné une zone du cortex cérébral connue pour être impliquée dans les processus d’apprentissage. « Nous avons constaté que les segments initiaux des axones des neurones observés changeaient de longueur ; ils s'allongeaient ou rétrécissaient », explique Gründemann. « La longueur du segment initial de l'axone détermine l'excitabilité d'un neurone. Les cellules avec un segment initial long génèrent des impulsions plus fortes que celles avec un segment court. Ce mécanisme peut donc réguler l'activité cérébrale. Nous ne savons pas encore pourquoi certains segments sont devenus plus longs et d'autres plus courts. Il s'agit probablement d'un levier de contrôle crucial pour ajuster de manière optimale l'activité neuronale. »
Interrupteur principal
Le segment initial de l'axone fait partie de « l'axone » – une extension fibreuse de neurones qui transmet les impulsions électriques à d'autres cellules. À la fin, l’axone se ramifie plusieurs fois, permettant à un seul neurone d’entrer en contact avec de nombreuses autres cellules. Ces points de contact – appelés « synapses » – sont également connus pour changer au cours de la formation de la mémoire, influençant ainsi la transmission des signaux neuronaux. « Les signaux sont transmis d'un neurone à un autre via les synapses, mais le segment initial de l'axone décide si un neurone va se déclencher et quelle sera la force de sa sortie. Donc, dans un sens, il s'agit d'un interrupteur principal. Les synapses et les segments initiaux de l'axone influencent la transmission du signal entre les neurones. Les deux sont des sites de neuroplasticité. Et notre étude montre que les deux peuvent être pertinents pour la formation de la mémoire », explique Gründemann. « Bien que nous n'ayons étudié qu'une zone spécifique du cerveau, nous supposons que, à l'instar de la plasticité synaptique, les changements dynamiques du segment initial de l'axone sont un principe général associé à l'apprentissage. Nous prévoyons d'examiner ce phénomène dans d'autres régions du cerveau, notamment en ce qui concerne les maladies neurodégénératives. »
Etudes sur la maladie d'Alzheimer
« Dans la maladie d'Alzheimer, la transmission du signal entre les neurones est altérée. C'est pourquoi nous nous intéressons, par exemple, à la façon dont les dépôts de protéines typiques de la maladie d'Alzheimer affectent la fonction des segments initiaux. De tels sujets peuvent être étudiés chez des souris présentant des caractéristiques similaires à celles de la maladie d'Alzheimer. Cela pourrait aider à améliorer notre compréhension du processus pathologique et potentiellement identifier des points d'entrée pour de futures thérapies », explique Gründemann.
