Introduction à la Neurobiologie Développementale

Neuroscience

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Summary

L’étude du neurodéveloppement est un domaine qui explore la façon dont le système nerveux est formé, depuis les étapes embryonnaires précoces jusqu’à l’âge adulte. Bien qu’il soit connu que les cellules pro-génitrices neuronales suivent des étapes prévisibles de prolifération, différenciation, migration et maturation, les mécanismes contrôlant le passage d’une étape à l’autre ne sont pas totalement compris. L’étude du développement n’est pas seulement importante pour comprendre comment sont assemblées ces structures complexes, mais aussi de manière à caractériser et traiter des troubles du développement. Puisque les processus de réparation sont similaires à ceux qui ont lieu au cours du développement, ce domaine d’étude est aussi une source prometteuse de vue sur quand et comment les tissus du système nerveux se régénèrent.

Cette vidéo présente un bref aperçu du domaine de la neurobiologie du développement, incluant quelques expériences clés qui ont permis de faire avancer notre compréhension des mécanismes qui contrôlent la formation du tissu neural précoce et la spécialisation de ces cellules en différents sous-groupes de neurones. La présentation est axée sur les principales questions posées par les biologistes du développement et ensuite démontre quelques-unes des méthodes qu’ils utilisent pour répondre à ces questions. Enfin des applications de ces techniques vous sont présentées afin de vous montrer ce que cela implique d’être un neuroscientifique du développement aujourd’hui. Parmi les expérimentations présentées se trouve la manipulation génétique de cerveaux embryonnaires intacts, la différenciation ciblée de cellules souches dans les cellules du système nerveux, et des techniques de marquage qui permettent la quantification d’évènements spécifiques au cours du développement, comme la formation de nouvelles connexions entre les neurones.

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JoVE Science Education Database. L’essentiel de la Neuroscience. Introduction à la Neurobiologie Développementale. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

La neurobiologie développementale étudie la manière donto quelques cellules embryonnaires précoces peuvent être à l’origine d’un système nerveux complexe et organisé qui contrôle tout l’organisme.

Les scientifiques de ce domaine s’intéressent à la manière dont les cellules se différencient, migrent vers des régions spécifiques, et se connectent pour former un système fonctionnel. Ces processus sont importants pour comprendre la façon dont le système nerveux fonctionne, ainsi que pour traiter de nombreuses maladies neurologiques induites par un développement anormal.

Cette vidéo vous fera parcourir l’histoire de la neurobiologie développementale, soulèvera les questions clés de ce domaine et explorera les méthodes utilisées pour répondre à ces questions. Enfin, nous verrons des exemples d’applications pratiques de la recherche sur le développement neuronal.

Commençons par quelques principales découvertes de l’histoire de la neurobiologie développementale.

Les premières recherches sur le neurodéveloppement datent du 19ème siècle. En 1880 Wilhelm His a mis au point l’étude de l’histogenèse, ou de l’origine embryonnaire des tissus. Il a été l’un des premiers à observer le développement des extensions neuronales comme les axones et les dendrites.

En 1924, les embryologistes Hans Spemann and Hilde Mangold ont étudié la fonction d’un regroupement cellulaire appelé organisateur de Spemann. Ils ont montré que la transplantation d’un organisateur à un autre embryon induit la formation d’un tissu neuronal secondaire.

Ensuite, dans les années 1950, Rita Levi-Montalcini et Stanley Cohen ont observé que la transplantation de parties de tumeurs dans des embryons de poulet en développement induit une croissance rapide des neurones. Ils ont supposé que la tumeur sécrète une substance responsable de cette croissance, et identifièrent cette protéine comme étant le facteur de croissance neuronale ou NGF, qui est essentiel à la survie neuronale.

Dans une autre étude de transplantation, Nicole Le Douarin a remplacé des parties d’embryons de poussin avec celles de cailles. En traçant les cellules de caille pendant le développement, elle a montré qu’un groupe de cellules fortement migratoires, appelé la crête neuronale, génère des nerfs périphériques matures.

Quelques années plus tard, Pasko Rakic a étudié comment les cellules du système nerveux central s’organisent en structures hautement ordonnées lors du développement. Rakic a marqué les cellules en division dans des fœtus avec des nucléotides radioactifs, ce qui a permis de déterminer quand les cellules du cerveau naissent et leur destination finale dans le cerveau mature.

Pendant la fin du 20ème siècle, une nouvelle ère de recherche apparait et s’intéresse aux cellules et signaux moléculaires qui mènent au développement du système nerveux.

Par exemple, au milieu des années 90, Tom Jessell a montré que certains facteurs de transcription, ou protéines du contrôle de l’expression génique, influençaient le développement d’un unique sous-type de neurones dans la moelle épinière de l’embryon de souris. A la suite de ce travail, les chercheurs d’aujourd’hui identifient toujours de nouveaux gènes qui contrôlent le développement neuronal.

Maintenant que vous avez vu quelques notions d’histoire, abordons quelques questions clés de la neurobiologie développementale moderne.

Beaucoup de chercheurs étudient le modelage et la spécialisation des cellules du système nerveux. Par exemple, ils s’intéressent à la programmation génétique qui oriente la différenciation des cellules souches précoces en neurones ou en cellules gliales, qui sont les cellules de support du système nerveux. Ils s’intéressent aussi à la sécrétion de signaux influençant la spécialisation au sein d’un groupe de cellules ou en fonction de leur localisation.

Une autre approche étudie la manière dont les neurones et les cellules gliales en développement sont capables de s’organiser au sein du système nerveux mature. Des chercheurs étudient la dynamique du cytosquelette des cellules migrant de leur point d’origine jusqu’au site ou elles assurent leur fonction. D’autres s’intéressent à l’influence des signaux émis par l’environnement extracellulaire sur le comportement migratoire.

Les scientifiques du neurodéveloppement évaluent également la formation et l’optimisation des cellules au cours du développement. Certaines études sont consacrées au rôle des récepteurs de guidage axonal, qui sont des protéines de surface cellulaire qui détectent les queues externes et guident les axones en développement, ou neurites, vers les cellules cibles. Une autre approche concerne l’étude des connections physiques et chimiques impliquées dans la synaptogénèse, qui est la formation de nouveaux points de transmission de signal, ou synapses, entre les cellules.

Maintenant, voyons quelques méthodes importantes utilisées pour répondre à certaines de ces questions sur le neurodéveloppement.

Pour étudier le contrôle génétique de l’identité cellulaire et la structuration du système nerveux, on peut manipuler l’expression de gènes spécifiques dans l’embryon en développement. L’électroporation in utero est une méthode très utilisée, dans laquelle de l’ADN exogène est apporté au cerveau de rongeurs en développement. En y exposant l’utérus d’une souris enceinte et anesthésiée, de l’ADN peut être injecté dans le cerveau embryonnaire et l’application d’un courant force l’entrée de l’ADN dans les cellules alentours. Suivant l’expérience, le matériel électroporé peut servir soit à induire, soit à inhiber l’expression du gène, ce qui permet aux chercheurs d’étudier l’impact d’une protéine sur le développement du cerveau.

Du tissu explanté du système nerveux central est souvent utilisé pour étudier la migration cellulaire au cours du développement. Cette technique implique la dissection de fragments du cerveau ou de la moelle épinière et leur culture in vitro. L’avantage principal de cette approche est l’accessibilité du tissu qui permet d’observer les mouvements cellulaires par vidéomicroscopie.

De plus, les effets de molécules spécifiques sur la migration peuvent être étudiés facilement à partir d’explants si on ajoute des facteurs de croissance ou des inhibiteurs pharmacologiques au milieu de culture.

Pour étudier les molécules impliquées dans la formation du réseau neuronal, on peut utiliser l’immunohistochimie. Cette technique utilise la spécificité des anticorps à marquer l’emplacement de protéines spécifiques dans les cellules et les tissus. La localisation visuelle des protéines en microscopie par fluorescence, peut aider les chercheurs à émettre des hypothèses, notamment sur la façon dont ces molécules influencent la formation et le fonctionnement de structures comme les synapses.

Maintenant que vous êtes familiarisés avec quelques approches d’étude du développement neuronal, voyons certaines applications de ces études en laboratoire aujourd’hui.

Un objectif principal de l’étude du neurodéveloppement est de comprendre comment l’identité et la morphologie cellulaires sont déterminées. Afin d’étudier le contrôle génétique du développement neuronal, ces chercheurs livrèrent du matériel limitant l’expression génétique au système nerveux de poulet en développement, par électroporation. Les neurones électroporés du tube neural furent aussi marqués par l’injection d’un colorant, de manière à ce que la morphologie de l’axone puisse être comparée entre des cellules contrôles et celles génétiquement altérées.

Pour étudier les connections neuronales, ces chercheurs cultivent des neurones extraits de jeunes rats. Après plusieurs jours de culture, les cellules sont fixées et marquées avec des anticorps spécifiques aux protéines synaptiques, permettant de quantifier la formation de synapses dans différentes conditions expérimentales, comme la surexpression d’un gène, ou la culture dans un milieu de culture modifié.

En utilisant leurs connaissances des processus du neurodéveloppement, les chercheurs actuels peuvent forcer des cellules embryonnaires précoces, comme les cellules souches, à suivre une voie de différenciation spécifique in vitro. Ces chercheurs traitent des cellules souches humaines avec un dérivé de la vitamine A, l’acide rétinoïque, ce qui entraine une diminution de l’expression de facteurs de transcription qui maintiennent l’identité des cellules souches, et favorise l’expression de marqueurs neuronaux. Cette technique fournit aux chercheurs une source précieuse de neurones humains pour étudier les mécanismes à l’origine de maladies neurologiques.

Vous venez de regarder l’introduction à la neurobiologie développementale de JoVE. Cette vidéo a passé en revue les découvertes historiques, les questions clés posées par les neuroscientifiques en développement et certaines des techniques qu’ils utilisent. Merci de nous avoir regardés!

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