Les signaux relayés par le cerveau aux motoneurones permettent le mouvement musculaire, mais ces signaux passent généralement par les interneurones de la colonne vertébrale avant d'atteindre leur destination. La manière dont le cerveau et ce groupe très diversifié de cellules de « standardiste » sont connectés est mal comprise. Pour résoudre ce problème, les scientifiques de l'hôpital de recherche pour enfants St. Jude ont créé un atlas du cerveau entier visualisant les régions du cerveau qui envoient des entrées directes aux interneurones V1, un groupe de cellules nécessaires au mouvement. L'atlas qui en résulte et le site Web interactif tridimensionnel qui l'accompagne fournissent un cadre permettant de mieux comprendre le paysage anatomique du système nerveux et la manière dont le cerveau communique avec la moelle épinière. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans Neurone.
Nous savons depuis des décennies que le système moteur est un réseau distribué, mais que le résultat final passe par la moelle épinière. Là, vous avez des motoneurones qui provoquent la contraction musculaire, mais les motoneurones n’agissent pas de manière isolée. Leur activité est sculptée par des réseaux d’interneurones moléculairement et fonctionnellement divers. »
Jay Bikoff, Ph.D., auteur correspondant, Département St. Jude de neurobiologie du développement
Démêler le réseau reliant le cerveau à la puissance motrice
Même si d’énormes progrès ont été réalisés dans la compréhension de la relation entre les différentes régions du cerveau et les différentes facettes du contrôle moteur, la manière précise dont ces régions se connectent à des neurones spécifiques de la moelle épinière constitue un point aveugle dans ce domaine. Les interneurones sont difficiles à étudier, principalement parce qu’il en existe des centaines de variétés différentes et mélangées.
« Cela revient à démêler une boule de lumières de Noël, sauf que c'est plus difficile étant donné que ce que nous essayons de démêler est le résultat de plus de 3 milliards d'années d'évolution », a déclaré le co-premier auteur Anand Kulkarni, PhD.
Des progrès récents ont démontré l’existence de sous-classes d’interneurones distinctes sur le plan moléculaire et développemental, mais on ignore encore beaucoup de choses sur leur place dans la communication neuronale. « Définir les cibles cellulaires des systèmes moteurs descendants est fondamental pour comprendre le contrôle neuronal du mouvement et du comportement », a déclaré Bikoff. « Nous devons savoir comment le cerveau communique ces signaux. »
Pour disséquer les circuits reliant le cerveau à la moelle épinière, les chercheurs ont utilisé une version génétiquement modifiée du virus de la rage à laquelle manque une protéine clé, la glycoprotéine, à sa surface. Cela a inhibé la capacité du virus à se propager entre les neurones.
Cela a essentiellement bloqué le virus à son origine. En réintroduisant cette glycoprotéine dans une population spécifique d’interneurones, le virus pourrait effectuer un seul saut à travers les synapses avant de se retrouver bloqué. Les chercheurs ont utilisé une étiquette fluorescente pour suivre le virus. En suivant où aboutit le virus, les chercheurs ont pu identifier quelles régions du cerveau étaient connectées à ces interneurones.
Une carte 3D permet aux chercheurs de visualiser les connexions
Les chercheurs ont appliqué cette approche à une classe d’interneurones appelés interneurones V1, dont il a été démontré précédemment qu’ils jouaient un rôle essentiel dans la formation de la puissance motrice. Ces travaux leur ont permis de retracer avec précision l’origine des multiples signaux reçus par ces interneurones jusqu’au cerveau.
« Nous ciblons uniquement les interneurones V1, mais il s'agit en réalité d'un groupe de neurones très hétérogène. Nous avons donc pensé: « Ciblons autant de neurones V1 que possible et voyons ce qui se projette sur eux » », a déclaré Bikoff.
Les chercheurs se sont tournés vers la tomographie en série à deux photons pour visualiser ces neurones et générer un atlas de référence en trois dimensions. Cette technique restitue le cerveau en créant des centaines de sections de microns d'épaisseur pour révéler des neurones marqués par fluorescence. L'atlas a permis aux chercheurs de faire des prédictions précises sur le réseau qui relie les différentes structures cérébrales à la moelle épinière et aux interneurones avec lesquels elles interagissent.
L'identification de la manière dont ces structures sont liées à la moelle épinière permet aux chercheurs d'étudier plus en profondeur les circuits neuronaux contrôlant le mouvement, et l'atlas Web qui l'accompagne garantira que les données sont librement accessibles à tous. « Nous comprenons ce que font certaines des régions cérébrales identifiées d'un point de vue comportemental », a expliqué Bikoff, « mais nous pouvons maintenant émettre des hypothèses sur la manière dont ces effets sont médiés et sur le rôle que pourraient jouer les interneurones V1. Cela sera très utile pour le domaine comme moteur de génération d'hypothèses.
Auteurs et financement
Les premiers auteurs de l'étude sont Phillip Chapman et Anand Kulkarni, St. Jude. Les autres auteurs de l'étude sont Alexandra Trevisan, Katie Han, Jennifer Hinton, Paulina Deltuvaite, Mary Patton, Lindsay Schwarz et Stanislav Zakharenko, St. Jude ; Lief Fenno, Université du Texas à Austin ; et Charu Ramakrishnan et Karl Deisseroth, Université de Stanford.
L'étude a été financée par une subvention des National Institutes of Health (R01NS123116) et de l'ALSAC, l'organisation de collecte de fonds et de sensibilisation de St. Jude.
