Un neuroscientifique de l’Université du Massachusetts à Amherst a reçu une subvention de 3,1 millions de dollars de l’Institut national des maladies neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux pour faire progresser les connaissances sur le développement du cerveau humain en utilisant un sujet inhabituel : le cerveau de la limace de mer.
Ce minuscule invertébré est un candidat idéal pour étudier le développement du cerveau car il ajoute un nombre considérable de neurones à son cerveau – ce nombre est multiplié par plus de 40 en moins de huit semaines pour atteindre un total d’environ 10 000 neurones – tandis que l’animal grandit et exécute des comportements, explique Paul Katz, professeur de biologie et directeur de l’UMass Initiative on Neurosciences. Cela se compare aux quelque 100 milliards de neurones du cerveau humain, un nombre relativement stable de la naissance à la mort, mais trop nombreux (et avec trop de connexions) pour être cartographié avec la technologie existante.
En créant une série de cartes complètes, ou connectomes, de chaque connexion neuronale au fur et à mesure du développement du cerveau de la limace de mer, la recherche fera la lumière sur la façon dont les neurones sont ajoutés aux circuits neuronaux fonctionnels.
De nombreuses affections neurologiques résultent de problèmes survenant au cours du développement, mais il manque une compréhension fondamentale de la manière dont de nouveaux neurones sont ajoutés aux circuits en croissance. Les résultats de notre recherche fourniront un regard sans précédent sur la manière dont les réseaux synaptiques de neurones dans un cerveau entier changent à mesure que de nouveaux neurones sont ajoutés. »
Paul Katz, professeur de biologie et directeur de l’Initiative UMass sur les neurosciences
En collaboration avec le laboratoire de Jeff Lichtman de l’Université Harvard, Katz étudiera le mollusque nudibranche Berghia Stéphanieae, une limace de mer élevée dans le Katz Lab. Katz étudie d’autres espèces de limaces de mer depuis environ trois décennies, mais il s’est tourné vers Berghia lorsqu’il a déménagé à UMass Amherst il y a six ans.
« Le cerveau [of the sea slug] En fait, il grossit à mesure que l’animal vieillit et ajoute plus de neurones, ce qui n’est pas le cas de vous et moi », dit Katz. « Quand les humains naissent, nous avons plus de neurones que quand nous mourons. Nous perdons constamment des neurones. En fait, l’élagage sélectif des neurones et de leurs connexions fait partie du développement normal du cerveau humain. »
Katz et son équipe prévoient de cartographier tous les neurones des limaces de mer et leurs connexions – ce qu’on appelle le connectome – à mesure que de nouveaux neurones sont ajoutés en coupant le cerveau des animaux à différents stades de leur développement en milliers et milliers de tranches incroyablement fines, 30 nanomètres d’épaisseur. À l’aide d’un microscope électronique à balayage série à face de bloc installé dans l’installation centrale EM de l’UMass Institute for Applied Life Sciences (IALS), les chercheurs prendront des images des tranches, puis reconstruiront tous les neurones et leurs connexions à différents stades de développement. Cette entreprise massive nécessitera de nouvelles méthodes d’apprentissage automatique pour classer les neurones et les synapses dans les échantillons.
« Cette entreprise – réaliser un connectome développemental – était de la science-fiction il y a à peine cinq ans », explique Katz. « Et maintenant, la technologie, l’intelligence artificielle, progresse suffisamment vite pour que nous puissions prier. Il aurait fallu mille années-homme pour pouvoir prendre ces images et les reconstituer.
« C’est une façon différente de construire un cerveau », ajoute Katz. « C’est le seul système où l’on peut effectuer ce type d’analyse pour voir comment les neurones sont ajoutés au cerveau au fil du temps. »
Les chercheurs utiliseront également la technologie de séquençage de l’ARN unicellulaire pour examiner l’identité de chaque neurone. « Vous codez à barres chacune des cellules avec une étiquette particulière, puis lorsque vous séquencez l’ARN, tout l’ARN de chaque cellule est séparé. Vous apprenez donc quels gènes chaque cellule exprime », explique Katz.
Des connectomes développementaux ont été construits chez seulement deux autres animaux : le ver nématode, C. elegans, qui n’ajoute pas de neurones au fur et à mesure de sa croissance ; et la mouche des fruits, Drosophila melanogaster, qui subit une métamorphose de larve à adulte, de sorte que le système nerveux larvaire est réorganisé. La limace de mer diffère de ces exemples car des neurones sont constamment ajoutés à mesure que l’animal grandit.
La recherche constitue une étape importante vers la compréhension du développement du cerveau humain.
« Ce que nous espérons apprendre, ce sont les règles : comment cela se passe-t-il ? » dit Katz. « Nous explorons afin de déterminer quelles questions poser dans des systèmes plus complexes. »
