Une étude sur la souris transplante des neurones pour reconstruire les circuits cérébraux
Des collaborateurs de quatre institutions - l'Université de Harvard, le Massachusetts General Hospital, le Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) et la Harvard Medical School (HMS) - ont transplanté des neurones embryonnaires fonctionnant normalement à un stade soigneusement sélectionné de leur développement dans l'hypothalamus de souris incapables de répondre à leptine, une hormone qui régule le métabolisme et contrôle le poids corporel.
Ces souris mutantes deviennent généralement obèses morbides, mais les greffes de neurones ont réparé les circuits cérébraux défectueux, leur permettant de répondre à la leptine et de prendre beaucoup moins de poids.
La réparation au niveau cellulaire de l'hypothalamus - une région critique et complexe du cerveau qui régule des phénomènes tels que la faim, le métabolisme, la température corporelle et les comportements de base tels que le sexe et l'agression - indique la possibilité de nouvelles approches thérapeutiques pour des conditions telles que la colonne vertébrale blessure au cordon, autisme, épilepsie, SLA (maladie de Lou Gehrig), maladie de Parkinson et maladie de Huntington, selon les chercheurs.
«Il n'y a que deux zones du cerveau qui sont connues pour subir normalement un remplacement neuronal continu à grande échelle à l'âge adulte au niveau cellulaire - ce qu'on appelle la« neurogenèse »ou la naissance de nouveaux neurones - le bulbe olfactif et la sous-région de l'hippocampe appelé le gyrus denté, avec des preuves émergentes de la neurogenèse en cours de niveau inférieur dans l'hypothalamus », a déclaré Jeffrey Macklis, MD, professeur à l'Université Harvard de cellules souches et de biologie régénérative.
«Les neurones qui sont ajoutés à l'âge adulte dans les deux régions sont généralement de petite taille et on pense qu'ils agissent un peu comme des commandes de volume sur une signalisation spécifique. Ici, nous avons recâblé un système de circuits cérébraux de haut niveau qui ne subit pas naturellement de neurogenèse, et cela a rétabli une fonction sensiblement normale. "
Les deux autres auteurs du papier sont Jeffrey Flier, doyen de la Harvard Medical School, et Matthew Anderson, professeur de pathologie HMS à Beth Israel.
En 2005, Flier a publié une étude montrant qu'un médicament expérimental stimulait l'ajout de nouveaux neurones dans l'hypothalamus et offrait un traitement potentiel pour l'obésité.
Mais bien que la découverte soit frappante, les chercheurs ne savaient pas si les nouvelles cellules fonctionnaient comme des neurones naturels.
Le laboratoire de Macklis avait développé des approches pour transplanter les neurones en développement dans les circuits du cortex cérébral de souris atteintes de neurodégénérescence ou de lésions neuronales. Dans une étude de 2000, les chercheurs ont démontré l'induction de la neurogenèse dans le cortex cérébral de souris adultes, où elle ne se produit normalement pas. Bien que ces expériences et les expériences de suivi semblent reconstruire anatomiquement les circuits cérébraux, le niveau de fonctionnement des nouveaux neurones est resté incertain.
Pour en savoir plus, Flier, expert en biologie de l'obésité, s'est associé à Macklis, expert en développement et réparation du système nerveux central, et à Anderson, expert en circuits neuronaux et modèles de maladies neurologiques chez la souris.
Les chercheurs ont utilisé un modèle de souris dans lequel le cerveau n'a pas la capacité de répondre à la leptine. Flier et son laboratoire étudient depuis longtemps cette hormone, médiée par l'hypothalamus. Sourdes aux signaux de la leptine, ces souris deviennent dangereusement en surpoids.
Des recherches antérieures avaient suggéré que quatre classes principales de neurones permettaient au cerveau de traiter la signalisation de la leptine. Les chercheurs ont transplanté et étudié le développement cellulaire et l'intégration de cellules progénitrices et de neurones très immatures d'embryons normaux dans l'hypothalamus des souris mutantes, en utilisant plusieurs types d'analyses cellulaires et moléculaires.
Pour placer les cellules transplantées exactement dans la bonne région de l'hypothalamus, ils ont utilisé une technique appelée microscopie à ultrasons à haute résolution, créant ce que Macklis a appelé un «hypothalamus chimérique» - comme les animaux aux traits mixtes de la mythologie grecque.
Les chercheurs ont ensuite effectué une analyse électrophysiologique approfondie des neurones transplantés et de leur fonction dans les circuits du receveur, en tirant parti des neurones qui brillent en vert à partir d'une protéine de méduse fluorescente utilisée comme marqueur.
Ces neurones naissants ont survécu au processus de transplantation et se sont développés structurellement, moléculaire et électrophysiologiquement dans les quatre types de neurones au cœur de la signalisation de la leptine. Les nouveaux neurones se sont intégrés fonctionnellement dans les circuits, répondant à la leptine, à l'insuline et au glucose. Les souris traitées ont mûri et pesaient environ 30 pour cent de moins que leurs frères et sœurs non traités traités de différentes manières.
Les chercheurs ont ensuite étudié dans quelle mesure ces nouveaux neurones étaient devenus câblés dans les circuits du cerveau à l'aide d'analyses moléculaires, de microscopie électronique pour visualiser les détails des circuits et d'électrophysiologie patch-clamp, une technique dans laquelle les chercheurs utilisent de petites électrodes pour étudier les caractéristiques de neurones individuels et paires de neurones dans les moindres détails. Parce que les nouvelles cellules étaient marquées avec des étiquettes fluorescentes, les chercheurs pouvaient facilement les localiser.
Les chercheurs ont découvert que les neurones nouvellement développés communiquaient aux neurones receveurs via des contacts synaptiques normaux, et que le cerveau, à son tour, faisait un signal. Répondant à la leptine, à l’insuline et au glucose, ces neurones avaient effectivement rejoint le réseau cérébral et recâblé les circuits endommagés.
«Il est intéressant de noter que ces neurones embryonnaires ont été câblés avec moins de précision qu'on pourrait le penser», a déclaré Flier. «Mais cela ne semblait pas avoir d'importance. Dans un sens, ces neurones sont comme des antennes capables de capter immédiatement le signal de la leptine. Du point de vue de l'équilibre énergétique, je suis frappé de constater qu'un nombre relativement restreint de neurones génétiquement normaux peuvent réparer si efficacement les circuits. »
«La découverte que ces cellules embryonnaires sont si efficaces pour s'intégrer aux circuits neuronaux natifs nous rend très enthousiasmés par la possibilité d'appliquer des techniques similaires à d'autres maladies neurologiques et psychiatriques présentant un intérêt particulier pour notre laboratoire», a déclaré Anderson.
Les chercheurs appellent leurs découvertes une preuve de concept pour l'idée plus large que les nouveaux neurones peuvent s'intégrer spécifiquement pour modifier des circuits complexes qui sont défectueux dans le cerveau d'un mammifère.
«La prochaine étape pour nous est de poser des questions parallèles à d'autres parties du cerveau et de la moelle épinière, à celles impliquées dans la SLA et avec des lésions de la moelle épinière», a déclaré Macklis. «Dans ces cas, pouvons-nous reconstruire les circuits dans le cerveau des mammifères? Je soupçonne que nous pouvons.
La nouvelle étude a été publiée dans la revue Science.
Source: Université de Harvard
