Comment pensons-nous, ressentons-nous, souvenions-nous ou bougeons-nous? Ces processus impliquent une transmission synaptique, dans laquelle les signaux chimiques sont transmis entre les cellules nerveuses à l'aide de conteneurs moléculaires appelés vésicules. Maintenant, les chercheurs ont réussi à modéliser le cycle des vésicules dans des détails sans précédent, révélant de nouvelles informations sur la façon dont notre cerveau fonctionne.
Une étude conjointe, publiée dans Avancées scientifiquesentre les chercheurs de l'Institut des sciences et de la technologie de l'Okinawa (OIST), au Japon, et le Centre médical universitaire Göttingen (UMG), en Allemagne, a appliqué un système de modélisation informatique unique, qui considère l'interaction compliquée des vésicules, leurs environnements cellulaires, leurs activités et leurs interactions, afin de créer une image réaliste de la façon dont les vésicules prennent en charge la transmission synaptique. Leur modèle prédit des paramètres de la fonction synaptique qui n'ont pas pu être testés expérimentalement dans le passé, ouvrant de nouvelles avenues dans les investigations des neurosciences.
Les avancées technologiques récentes ont permis aux scientifiques expérimentaux de saisir des quantités croissantes de données. Le défi réside désormais dans l'intégration et l'interprétation de tous les différents types de données, pour comprendre les complexités du cerveau. Notre modèle fournit un meilleur détail moléculaire et spatial du cycle des vésicules, et beaucoup plus rapide que tout autre système auparavant. Et il est également transférable à différentes cellules et scénarios. C'est un bond en avant vers les aspirations scientifiques de la simulation complète des cellules et des tissus. «
Le professeur Erik de Schutter, chef de l'unité et co-auteur de l'OIST Computational Neuroscience sur cette étude
« Nous travaillons sur des synapses depuis plus de 20 ans, mais certaines étapes fonctionnelles étaient difficiles à tester expérimentalement. Après plusieurs années de réglementation de travail expérimental et de calcul avec nos collègues japonais, nous avons maintenant un modèle pour tester de nouvelles hypothèses, en particulier dans le contexte des maladies neurologiques », ajout de professeur Silvio Rizzoli, directeur du département pour la physiologie neuro et sensorielle à l'UMG et également co-it
Quel est le cycle des vésicules synaptiques?
Le cycle des vésicules décrit les étapes par lesquelles les neurotransmetteurs (signaux chimiques) sont libérés lors d'une synapse (une jonction entre les cellules nerveuses), pour transférer des informations entre les cellules. Les vésicules contenant des neurotransmetteurs se déplacent et se déchaînent à la membrane, prête à fusionner et à libérer leur contenu, avant d'être recyclé. Le processus est provoqué par une stimulation électrique dans le cerveau et est entraîné par une cascade de signalisation complexe.
Selon la situation, différentes quantités de neurotransmetteurs doivent être libérées sur différentes périodes. Pour permettre une transmission synaptique contrôlée et soutenue, seulement 10 à 20% des vésicules sont facilement accessibles à Dock à tout moment (celles-ci sont connues sous le nom de pool de recyclage). La plupart des vésicules sont plutôt dans un pool de réserve, immobilisées dans un cluster.
De nombreux détails de ce processus, y compris la façon dont les vésicules se déplacent entre la réserve et le pool de recyclage, étaient mal connues.
Les mécanismes de recyclage des vésicules à une fréquence de stimulation élevée
Dans leur publication, les chercheurs ont donné un nouvel éclairage sur le processus de recyclage des vésicules dans les synapses hippocampiques. Avec leur modèle, ils visaient à la fois à confirmer le comportement des vésicules aux fréquences de tir observées expérimentalement et à explorer le comportement à des fréquences plus élevées.
Ils ont découvert que le cycle des vésicules était capable de fonctionner à des fréquences de stimulation élevées, bien au-delà de ce qui se trouve normalement dans la nature. Ils ont également pu identifier certaines des raisons de ce cycle robuste, identifiant les rôles des protéines clés Synapsin-1 et Tomosyn-1 dans la régulation de la libération des vésicules à partir du pool de réserve cluster.
Les chercheurs ont noté que l'efficacité du cycle des vésicules s'appuyait sur l'attache moléculaire. En connectant physiquement certaines vésicules à la membrane avec des emporteurs, un approvisionnement étroit de vésicules pourrait être mis à disposition pour l'amarrage rapide et la libération de neurotransmetteurs.
Ces résultats importants permettent une compréhension plus approfondie du recyclage des vésicules, un processus impliqué dans de nombreuses maladies différentes. « Par exemple, la libération de neurotransmetteurs est entravée dans le botulisme ou certains syndromes myasthéniques. Les traitements de dépression et d'autres maladies neurologiques majeures se concentrent également souvent sur la transmission synaptique », a expliqué le professeur de Schutter. « Au fur et à mesure que nous élargissons nos modèles, les applications potentielles sont vastes, à la fois dans le développement de nouvelles thérapies et pour approfondir notre compréhension fondamentale du fonctionnement du cerveau. »
