Nos biceps et nos cellules cérébrales peuvent avoir plus en commun qu'on ne le pensait auparavant.
De nouvelles recherches menées par le laboratoire Lippincott-Schwartz montrent qu'un réseau de structures subcellulaires similaires à celles responsables de la propagation des signaux moléculaires qui font que les muscles se contractent sont également responsables de la transmission de signaux dans le cerveau qui peuvent faciliter l'apprentissage et la mémoire.
Einstein a déclaré que lorsqu'il utilise son cerveau, c'est comme s'il utilisait un muscle, et à cet égard, il y a un parallèle ici. La même machine fonctionne dans les deux cas mais avec des lectures différentes. «
Jennifer Lippincott-Schwartz, chef de groupe senior de Janelia
Le premier indice sur la connexion possible entre les cellules du cerveau et les cellules musculaires est venue lorsque les scientifiques de Janelia ont remarqué quelque chose d'étrange dans le réticulum endoplasmique, ou ER – les feuilles et les plis membraneux à l'intérieur des cellules qui sont cruciaux pour de nombreuses fonctions cellulaires.
Lorena Benedetti, chercheur dans le laboratoire de Lippincott-Schwartz, suivait les molécules à haute résolution le long de la surface des urgences dans les neurones de mammifères lorsqu'elle a vu que les molécules retraçaient un motif répétitif en forme d'échelle sur toute la longueur des dendrites – Les extensions de type branche sur les cellules cérébrales qui reçoivent des signaux entrants.
À peu près à la même époque, le chef de groupe senior Stephan Saalfeld a alerté Lippincott-Schwartz sur des images de microscopie électronique 3D à haute résolution de neurones dans le cerveau de la mouche où l'urgence se formait également des structures transversales régulièrement espacées.
L'urgence apparaît normalement comme un énorme filet dynamique, donc dès que Lippincott-Schwartz a vu les structures, elle savait que son laboratoire devait comprendre à quoi ils seraient.
« En science, la structure est fonction », explique Lippincott-Schwartz, qui dirige également le domaine de recherche en physiologie cellulaire 4D de Janelia. « C'est une structure inhabituelle et belle que nous voyons dans toute la dendrite, donc nous avons juste eu le sentiment qu'il doit avoir une fonction importante. »
Les chercheurs, dirigés par Benedetti, ont commencé par regarder le seul autre domaine du corps connu pour avoir des structures ER similaires de type échelle: le tissu musculaire. Dans les cellules musculaires, l'ER et la membrane plasmique – la membrane externe de la cellule – se réunissent sur des sites de contact périodiques, un arrangement contrôlé par une molécule appelée junctophiline.
En utilisant l'imagerie haute résolution, les chercheurs ont découvert que les dendrites contiennent également une forme de junctophiline qui contrôle les sites de contact entre leur ER et la membrane plasmique. De plus, l'équipe a constaté que la même machine moléculaire contrôlant la libération de calcium aux sites de contact des cellules musculaires – où le calcium entraîne la contraction musculaire – était également présent aux sites de contact dendrite – où le calcium régule la signalisation neuronale.
En raison de ces indices, les chercheurs avaient l'intuition que les machines moléculaires des sites de contact dendritiques devaient également être importantes pour transmettre des signaux de calcium, quelles cellules utilisent pour communiquer. Ils soupçonnaient que les sites de contact le long des dendrites pourraient agir comme un répéteur sur une machine télégraphique: recevoir, amplifier et propager des signaux sur de longues distances. Dans les neurones, cela pourrait expliquer comment les signaux reçus sur des sites spécifiques sur les dendrites sont relayés dans le corps cellulaire à des centaines de micromètres.
« La façon dont ces informations se déplacent sur de longues distances et comment le signal de calcium est spécifiquement amplifié n'était pas connu », explique Benedetti. « Nous pensions que ER pourrait jouer ce rôle et que ces sites de contact régulièrement distribués sont des amplificateurs localisés spatialement et temporellement: ils peuvent recevoir ce signal de calcium, amplifier localement ce signal de calcium et relayer ce signal de calcium sur une distance. »
Les chercheurs ont constaté que ce processus est déclenché lorsqu'un signal neuronal fait entrer le calcium dans la dendrite par des protéines de canal ionique à tension, qui sont positionnées sur les sites de contact. Bien que ce signal de calcium initial se dissipe rapidement, il déclenche la libération de calcium supplémentaire à partir de l'ER au site de contact.
Cet afflux de calcium sur le site de contact attire et active une kinase appelée CaMKII, une protéine connue pour être importante en mémoire. CaMKII modifie les propriétés biochimiques de la membrane plasmique, modifiant la force du signal qui est transmis dans la membrane plasmique.
Ce processus se poursuit du site de contact pour contacter le site tout le long de la dendrite au corps cellulaire, où le neurone décide comment il communiquera avec d'autres neurones.
La nouvelle recherche révèle un nouveau mécanisme de transmission du signal dans les cellules du cerveau et aide à répondre à une question ouverte dans les neurosciences sur la façon dont les signaux intracellulaires se déplacent sur de longues distances dans les neurones, permettant les informations reçues sur des sites spécifiques sur les dendrites à traiter dans le cerveau.
Il met également en lumière les mécanismes moléculaires sous-jacents à la plasticité synaptique – le renforcement ou l'affaiblissement des connexions neuronales qui permet l'apprentissage et la mémoire. La détermination de ce processus au niveau moléculaire pourrait accroître la compréhension du fonctionnement du cerveau normalement et dans les maladies où ces processus tournent de travers, comme l'Alzheimer.
« Nous montrons qu'une structure – une belle structure – opérant à un niveau d'organisation subcellulaire a un effet énorme sur la façon dont l'ensemble du système neuronal fonctionne par rapport à la signalisation du calcium », explique Lippincott-Schwartz. « C'est un excellent exemple de la façon dont, en faisant la science, si vous voyez une belle structure, cela peut vous emmener dans un tout nouveau monde. »
