Les manuels de biologie pourraient avoir besoin d'une révision, affirment les scientifiques de Johns Hopkins Medicine, qui présentent de nouvelles preuves selon lesquelles une structure en forme de bras de cellules cérébrales de mammifères pourrait avoir une forme différente de celle que les scientifiques supposent depuis plus d'un siècle.
Leur étude sur les cellules cérébrales de souris montre que les axones des cellules – ; les structures en forme de bras qui atteignent et échangent des informations avec d'autres cellules cérébrales – ; ne sont pas les tubes cylindriques souvent représentés dans les livres et sur les sites Web, mais plutôt des perles sur un fil.
Un rapport sur les résultats est publié en ligne le 2 décembre dans Neurosciences naturelles.
Comprendre la structure des axones est important pour comprendre la signalisation des cellules cérébrales. Les axones sont les câbles qui relient nos tissus cérébraux, permettant l'apprentissage, la mémoire et d'autres fonctions.
Shigeki Watanabe, Ph.D., professeur agrégé de biologie cellulaire et de neurosciences, faculté de médecine de l'Université Johns Hopkins
Les scientifiques savent que des structures perlées dans les axones, appelées perles axonales, peuvent se développer dans les cellules cérébrales mourantes et chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson et d'autres maladies neurodégénératives en raison de la perte de l'intégrité membranaire et squelettique des neurones.
Dans des conditions normales, on pense que les axones ont la forme de tubes avec un diamètre pratiquement constant et des structures occasionnelles en forme de bulles (varices synaptiques qui contiennent des globes de neurotransmetteurs, qui permettent la signalisation vers d'autres cellules cérébrales).
Watanabe avait initialement observé des perlages répétés d'axones dans le système nerveux des vers et est devenu plus curieux des structures après une discussion avec le scientifique suisse Graham Knott, Ph.D. Une équipe de recherche de l'Université Harvard avait publié une étude en 2012 qui identifiait des composants « squelettiques » répétés dans les axones. Les deux chercheurs ont donc discuté d'expériences visant à se débarrasser du squelette de l'axone pour voir si les structures en perles disparaissent, explique Watanabe.
Jacqueline Griswold, étudiante diplômée de Johns Hopkins et première auteure de l'étude, a testé l'idée mais n'a trouvé aucun effet sur le perlage des axones.
Ensuite, Watanabe et Griswold ont travaillé avec leur collègue en biophysique théorique Padmini Rangamani, Ph.D., professeur de pharmacologie à la faculté de médecine de l'Université de Californie à San Diego, pour examiner de plus près les propriétés physiques des axones.
Pour pouvoir observer les axones des cellules cérébrales (neurones), qui sont 100 fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain, les scientifiques ont utilisé la microscopie électronique à congélation à haute pression. À l'instar de la microscopie électronique standard, qui projette des faisceaux d'électrons sur une cellule pour en décrire la structure, Watanabe et son équipe ont gelé les neurones de souris pour préserver la forme des structures.
« Pour observer des structures à l'échelle nanométrique avec la microscopie électronique standard, nous fixons et déshydrateons les tissus, mais les congeler conservent leur forme – ; un peu comme congeler un raisin plutôt que de le déshydrater pour en faire un raisin sec », explique Watanabe.
Les chercheurs ont étudié trois types de neurones de souris : ceux cultivés en laboratoire, ceux prélevés sur des souris adultes et ceux prélevés sur des embryons de souris. Les neurones n’étaient pas myélinisés (ils n’avaient pas la couche isolante de myéline qui entoure l’axone).
Les chercheurs ont découvert la forme pétillante en poire des axones parmi les dizaines de milliers d’images prises à partir des échantillons de tissus.
Les scientifiques ont nommé les structures en forme de perles dans lesquelles l'axone gonfle « varicosités non synaptiques ».
« Ces découvertes remettent en question un siècle de compréhension de la structure des axones », explique Watanabe.
Les scientifiques ont également utilisé une modélisation mathématique pour voir si la membrane axonale influençait la forme ou la présence de la perle sur une structure en fil. Ils ont découvert que des modèles mécaniques simples pouvaient être utilisés pour expliquer ces structures de manière très efficace.
De plus, des expériences avec le modèle mathématique et des échantillons de cerveau de souris ont montré que l'augmentation de la concentration de sucres dans la solution autour de l'axone ou la diminution de la tension dans les membranes axonales réduisaient la taille des structures de perles.
Dans une autre expérience, les scientifiques ont éliminé le cholestérol de la membrane du neurone pour la rendre moins rigide et plus fluide. Dans ces conditions, ils ont constaté moins de perlage dans les modèles mathématiques et les neurones de souris, ainsi qu'une capacité réduite de l'axone à transmettre des signaux électriques.
« Un espace plus large dans les axones permet aux ions (particules chimiques) de passer plus rapidement et d'éviter les embouteillages », explique Watanabe.
Les scientifiques ont également appliqué une stimulation électrique à haute fréquence aux neurones de la souris, ce qui a fait gonfler les structures perlées le long des axones, en moyenne 8 % plus longues et 17 % plus larges pendant au moins 30 minutes après la stimulation et ont augmenté la vitesse des signaux électriques. Cependant, lorsque le cholestérol a été retiré de la membrane, les perles de l'axone ont perdu leur état gonflé et la vitesse des signaux électriques n'a pas changé.
L'équipe de recherche envisage d'examiner les « bras » axonaux dans les tissus cérébraux humains prélevés avec la permission de personnes ayant subi une chirurgie cérébrale et de personnes décédées de maladies neurodégénératives. Ce travail a constitué la base d'une subvention de chercheur principal multiple récemment accordée à Watanabe et Rangamani de l'Institut national de la santé mentale.
Les fonds pour la recherche ont été fournis par l'École de médecine de l'Université Johns Hopkins, la bourse Whitman du Marine Biological Laboratory, la Chan Zuckerberg Initiative Collaborative Pair Grant and Supplement Award, le Brain Research Foundation Scientific Innovations Award, un prix de la Helis Foundation, les National Institutes of Santé (NS111133-01, NS105810-01A11, DA055668-01, 1RF1DA055668-01), le Bureau de recherche scientifique de l'Air Force (FA9550-18-1-0051), bourse de recherche Alfred P. Sloan, bourse de la Fondation McKnight, bourse de recherche Klingenstein-Simons en neurosciences, bourse de la Fondation Vallée, National Science Foundation et Kavli Instituts de Johns Hopkins et de l'UC San Diego.
Les autres chercheurs qui ont mené l'étude sont Chintan Patel, Renee Pepper, Sumana Raychaudhuri, Quan Gan, Sarah Syed et Brady Maher de Johns Hopkins, Mayte Bonilla-Quintana, Christopher Lee, Cuncheng Zhu et Miriam Bell de l'UC San Diego, Siyi Ma de du Laboratoire de Biologie Marine, Mitsuo Suga et Yuuki Yamaguchi du JEOL à Tokyo, et Ronan Chéreau et U. Valentin Nägerl de l'Université de Bordeaux à France.
