Une introduction aux neurosciences cellulaires et moléculaires

Des plus simples réflexes aux expériences émotionnelles les plus sublimes, tous sont enracinés dans les structures moléculaires, génétiques et cellulaires du cerveau.

Etant un des domaines les plus récents de neuroscience, la neuroscience cellulaire et moléculaire s’appuie sur la biologie moléculaire pour explorer comment les gènes, les molécules de signalisation, et la morphologie cellulaire influencent le système nerveux.

Cette vidéo présente les découvertes marquantes de ce domaine, pose les questions clés pour la recherche en neuroscience cellulaire et moléculaire et enfin montre quelques méthodes importantes qui peuvent être utilisées pour répondre à ces questions.

Commençons par prendre du recul sur les racines scientifiques de ce domaine relativement récent.

Avant que les techniques moléculaires n’existent, les anatomistes et les biologistes cellulaires dominaient le début de l’histoire de la neuroscience.

Cependant, dans les années 30, un influx de physiciens, chimistes et théoriciens dans les rangs des biologistes commenca la révolution moléculaire, culminant avec la découverte de la structure ADN et la formalisation du dogme central par Watson et Crick, qui expliqua comment l’ADN encode les protéines qui agissent comme les unités fonctionnelles des cellules. Pour la première fois, les neuroscientifiques furent capable d’investiguer sur le rôle spécifique que jouent les gènes et protéines dans la fonction du système nerveux.

Par exemple, dans les années 60, Seymour Benzer fut capable de connecter les changements de comportement chez des mouches à fruit à des mutations génétiques spécifiques, identifiant les gènes clés exprimés dans les neurones contrôlant le comportement, comme la locomotion.

Dans les mêmes années, Eric Kandel démontra que les processus complexes comme l’apprentissage avaient aussi une base moléculaire. En utilisant le mollusque marin Aplysia il analysa des extraits de tissus neuronaux, et incrimina la molécule cyclique de signalisation intracellulaire AMP dans un chemin critique à l’apprentissage.

Ensuite, dans les années 80, les membres du labo de Shosaku Numa furent les premiers à cloner des molécules clés dans la fonction neuronale, comme le canal de sodium dépendant de la tension. Les analyses des domaines fonctionnels à l’intérieur de ces larges protéines membranaires ont depuis amélioré notre compréhension de la manière dont le contrôle des mouvements ioniques amène à l’activation neuronale.

Une autre découverte importante dans les mécanismes moléculaires sous-jacent à la communication neuronale a eu lieu dans les années 90, lorsque Thomas Sudhof découvrit que les ions calcium altèrent la forme des protéines qui fixent les vésicules remplies de neurotransmetteurs à la membrane cellulaire, expliquant comment les potentiels d’action amènent au relâchement précisément chronométré de signaux chimiques dans la synapse.

De la neurophysiologie au comportement, les découvertes en neuroscience moléculaire ont amélioré notre compréhension de nombreuses disciplines neuroscientifiques.

Malgré cette histoire productive, il y a encore beaucoup à apprendre ! Passons en revue certaines questions qui sont posées aux labos aujourd’hui.

Une partie de la recherche se demande quels gènes influencent la fonction neuronale. Par exemple, les expansions de nucléotides dans des gènes spécifiques sont connues pour être impliquées dans plusieurs maladies caractérisées par un déclin stable de la santé du neurone, comme la maladie de Huntington.

Un autre groupe de gènes à l’étude encodent les facteurs de transcription : les protéines qui régulent l’expression de gènes spécifiques. Identifier les cibles ADN des facteurs de transcription spécifiques au système nerveux peut nous donner une meilleure vue sur le programme génétique qui nous fait penser.

Aussi, les neuroscientifiques peuvent se demander comment les molécules régulent le comportement neuronal. Par exemple ils peuvent étudier la machinerie moléculaire qui régule les mouvements ioniques à travers la membrane cellulaire, résultant en la propagation de potentiels d’action. Ce type de recherche nous a donné les anesthésiques comme la lidocaine, qui bloque des canaux ioniques spécifiques et stoppe la transmission des signaux de douleur au cerveau. Aussi, les scientifiques peuvent examiner les sites d’interaction entre les neurones, appelés synapses. Ici, ils peuvent questionner quelles molécules sont impliquées dans la préservation de l’intégrité de la synapse, et comment ces connections peuvent être restaurées chez les états malades.

La plasticité neuronale est l’habilité du système nerveux à adapter chimiquement et physiquement sa réponse à l’expérience.

L’une des recherches dans ce domaine est focalisée sur les changements morphologiques dépendant de l’expérience dans des structures neuronales complexes, appelées arbres dendritiques, qui forment les synapses via des structures hautement dynamiques référencées comme colonne dendritique.

D’autres sont intéressés par comment l’expérience peut modifier la distribution de récepteurs de neurotransmetteurs sur les membranes synaptiques, ce qui peut renforcer la puissance de signalisation d’une synapse dans un phénomène connu comme la potentialisation long-terme ou LTP.

Comme vous pouvez le voir, les neuroscientifiques cellulaires et moléculaires approchent la neurobiologie avec une vue microscopique, mais la gamme de procédés qu’ils étudient est large.

Maintenant que vous êtes familier avec quelques unes des questions excitantes qui sont posées aux labos de neuroscience cellulaire et moléculaire, regardons les outils disponibles pour y répondre.

Tout d’abord, pour étudier le contrôle génétique de la fonction neuronale, les scientifiques ont quelques techniques très puissantes à leur disposition. Par exemple, les biopuces d’ADN peuvent quantifier l’expression d’un nombre énorme de gènes simultanément. Une biopuce est une surface avec des dizaines de milliers d’extraits de simple brin d’ADN « tests » attachés. Le matériel génétique extrait d’un neurone se lie aux tests, et des marqueurs fluorescents sont utilisés pour visualiser précisément quelles séquences sont présentes dans l’échantillon.

D’autre part, la PCR en temps réel ou quantitative utilise un équipement qui peut indirectement mesurer la quantité relative de transcripts ARNm spécifiques par une méthode basée sur la PCR. Cette approche est extrêmement utile pour détecter les niveaux d’expression des gènes individuels.

Enfin et surtout, la technologie transgénique est un outil important pour l’étude de la fonction de gène dans le système nerveux. Par cette méthode, les chercheurs peuvent produire des animaux avec des parties de leurs génomes retirés, appelés knockouts, ou avec des gènes modifiés insérés dans leur code génétique, appelés transgéniques. Les tissus du système nerveux de ces animaux peuvent être analysés grace a une variété de moyens, pour déterminer comment les changements dans l’expression d’un gène impactent la fonction cellulaire.

Pour étudier le contrôle moléculaire de la signalisation neuronale, les chercheurs préfèrent souvent étudier les tissus de cerveau en dehors de l’animal, soit en petits morceaux de tissus ou dans des cellules dissociées cultivées in vitro appelées cultures neuronales primaires.

Un avantage de ce système simplifié est l’habilité à manipuler efficacement l’expression de gènes d’intérêt dans la signalisation neuronale par transfection. Les résultats de ces manipulations génétiques peuvent alors être observés par la visualisation de localisation de protéines, l’analyse de morphologie de cellules, ou par enregistrements électrophysiologiques.

Enfin, les progrès drastiques en technologie d’imagerie permettent aux scientifiques d’étudier la plasticité neuronale d’une manière nouvelle et stimulante.

Par exemple, les chercheurs peuvent utiliser la microscopie à deux photons pour visualiser les couches profondes des tissus en détails. Après la création d’une « fenêtre » dans le crâne, cette technique peut être utilisée pour imager la morphologie cellulaire du cerveau des animaux avant et après qu’ils réalisent une expérience, permettant aux chercheurs de voir à quoi ressemble l’apprentissage au niveau neuronal.

Les outils d’imagerie sont aussi utilisés pour étudier les composants moléculaires du système nerveux dans des tissus préservés. La microscopie de fluorescence est souvent utilisée en combinaison avec l’immunohistochimie, dans laquelle les échantillons sont teints avec des anticorps fluorescents qui marquent la localisation cellulaire de protéines spécifiques.

Ayant vu a la fois les questions importantes et les outils utilisés pour y répondre, regardons quelques utilisations de la recherche en neuroscience cellulaire et moléculaire.

Tout d’abord, en appliquant les techniques de biopuce d’ADN à une petite population de neurones, les chercheurs peuvent examiner les différences dans l’expression de plusieurs gènes dans des sous-types neuronaux spécifiques. Ici, les neurones simples furent isolés de la rétine et de l’ARN cellulaire fut extrait, permettant aux chercheurs de profiler l’expression d’ARNm de cellules avec des caractéristiques fonctionnelles et morphologiques différentes.

Les techniques moléculaires peuvent aussi être appliquées pour mieux comprendre la réponse du système nerveux à la blessure. Lorsque les ganglia de la racine dorsale, ou DRG, sont retirées de la souris adulte pour en faire une culture neuronale primaire, les axones sont nécessairement rompus. En transfectant les neurones dissociés DRG avec les structures d’inactivation de gènes, il est possible de tester l’effet de protéines individuelles sur la repousse de nouveaux axones.

Les techniques d’imagerie spécialisées peuvent être utilisées pour étudier comment les protéines comme les récepteurs de neurotransmetteurs sont transportées vers et depuis la membrane synaptique. Dans cette expérience, les neurones cultivés furent transfectés avec un gène codant une protéine membranaire marquée par fluorescence. En utilisant un microscope confocal, de petites régions de la membrane furent alors photoblanchies, ce qui signifie que les fluorophores dans cette zone furent détruits. Avec le schéma de blanchiement utilisé ici, la récupération progressive de fluorescence, ou FRAP, reflète le transport de nouvelles protéines fluorescentes dans la membrane plasmique. La vitesse à laquelle ce mouvement se produit peut être quantifiée et comparée sur plusieurs conditions expérimentales.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la neuroscience cellulaire et moléculaire. Dans cette vidéo nous avons vu les découvertes historiques qui ont fait de la neuroscience cellulaire et moléculaire ce qu’elle est aujourd’hui, quelques questions clés du domaine et les techniques utilisées pour y répondre. Comme toujours, merci d’avoir regardé JoVE Science Education!