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Comment le cerveau génère un comportement rythmique

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Sommaire: Une nouvelle étude chez les rongeurs révèle un oscillateur de fouet qui consiste en une population de neurones inhibiteurs dans le tronc cérébral qui se déclenche en rafales rythmiques lors des comportements de fouet.

La source: MIT

Bon nombre de nos fonctions corporelles, telles que la marche, la respiration et la mastication, sont contrôlées par des circuits cérébraux appelés oscillateurs centraux, qui génèrent des schémas de déclenchement rythmiques qui régulent ces comportements.

Les neuroscientifiques du MIT ont maintenant découvert l’identité neuronale et le mécanisme sous-jacent à l’un de ces circuits : un oscillateur qui contrôle le balayage rythmique de va-et-vient des moustaches tactiles, ou fouettement, chez la souris. C’est la première fois qu’un tel oscillateur est entièrement caractérisé chez les mammifères.

L’équipe du MIT a découvert que l’oscillateur fouettant se compose d’une population de neurones inhibiteurs dans le tronc cérébral qui déclenche des rafales rythmiques pendant le fouettage. Lorsque chaque neurone se déclenche, il inhibe également certains des autres neurones du réseau, permettant à la population globale de générer un rythme synchrone qui rétracte les moustaches de leurs positions prolongées.

«Nous avons défini un oscillateur de mammifère sur les plans moléculaire, électrophysiologique, fonctionnel et mécanique», déclare Fan Wang, professeur de cerveau et de sciences cognitives au MIT et membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT.

“C’est très excitant de voir un circuit et un mécanisme clairement définis de la façon dont le rythme est généré chez un mammifère.”

Wang est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans La nature. Les principaux auteurs de l’article sont les chercheurs du MIT Jun Takatoh et Vincent Prevosto.

Comportement rythmique

La plupart des recherches qui ont clairement identifié les circuits de l’oscillateur central ont été effectuées sur des invertébrés. Par exemple, le laboratoire d’Eve Marder à l’Université Brandeis a trouvé des cellules dans le ganglion stomatogastrique chez les homards et les crabes qui génèrent une activité oscillatoire pour contrôler le mouvement rythmique du tube digestif.

La caractérisation des oscillateurs chez les mammifères, en particulier chez les animaux éveillés, s’est avérée très difficile. On pense que l’oscillateur qui contrôle la marche est distribué dans toute la moelle épinière, ce qui rend difficile l’identification précise des neurones et des circuits impliqués.

L’oscillateur qui génère la respiration rythmique est situé dans une partie du tronc cérébral appelée complexe pré-Bötzinger, mais l’identité exacte des neurones de l’oscillateur n’est pas entièrement comprise.

“Il n’y a pas eu d’études détaillées sur des animaux éveillés, où l’on peut enregistrer à partir de cellules oscillatrices identifiées moléculairement et les manipuler de manière précise”, explique Wang.

Le fouet est un comportement exploratoire rythmique important chez de nombreux mammifères, qui utilisent leurs moustaches tactiles pour détecter des objets et ressentir des textures. Chez la souris, les moustaches s’étendent et se rétractent à une fréquence d’environ 12 cycles par seconde. Il y a plusieurs années, le laboratoire de Wang a tenté d’identifier les cellules et le mécanisme qui contrôlent cette oscillation.

Pour trouver l’emplacement de l’oscillateur à fouet, les chercheurs ont remonté à partir des motoneurones qui innervent les muscles des moustaches. En utilisant un virus de la rage modifié qui infecte les axones, les chercheurs ont pu marquer un groupe de cellules présynaptiques à ces motoneurones dans une partie du tronc cérébral appelée noyau réticulaire intermédiaire de la vibrisse (vIRt). Cette découverte était cohérente avec les études précédentes montrant que les dommages à cette partie du cerveau éliminent le fouettement.

Les chercheurs ont ensuite découvert qu’environ la moitié de ces neurones vIRt expriment une protéine appelée parvalbumine, et que cette sous-population de cellules entraîne le mouvement rythmique des moustaches. Lorsque ces neurones sont réduits au silence, l’activité de fouet est abolie.

Ensuite, les chercheurs ont enregistré l’activité électrique de ces neurones vIRt exprimant la parvalbumine dans le tronc cérébral de souris éveillées, une tâche techniquement difficile, et ont découvert que ces neurones n’ont en effet des rafales d’activité que pendant la période de rétraction des moustaches. Étant donné que ces neurones fournissent des entrées synaptiques inhibitrices aux neurones moteurs des moustaches, il s’ensuit que le fouet rythmique est généré par un signal de protraction constant des motoneurones interrompu par le signal de rétraction rythmique de ces cellules oscillatrices.

“Ce fut un moment très satisfaisant et gratifiant de voir que ces cellules sont bien les cellules oscillatrices, car elles se déclenchent en rythme, elles se déclenchent en phase de rétraction et ce sont des neurones inhibiteurs”, explique Wang.

“Nouveaux principes”

Le schéma d’éclatement oscillatoire des cellules vIRt est initié au début du fouettage. Lorsque les moustaches ne bougent pas, ces neurones s’activent en continu. Lorsque les chercheurs ont empêché les neurones vIRt de s’inhiber, le rythme a disparu et, à la place, les neurones oscillateurs ont simplement augmenté leur taux de déclenchement continu.

Une image fluorescente montre des neurones oscillateurs à fouet viral tracés (vert) exprimant la parvalbumine (bleu) et le marqueur neuronal inhibiteur vGat (rouge). Crédit : Les chercheurs

Ce type de réseau, appelé réseau inhibiteur récurrent, diffère des types d’oscillateurs observés dans les neurones stomatogastriques des homards, dans lesquels les neurones génèrent intrinsèquement leur propre rythme.

“Maintenant, nous avons trouvé un oscillateur de réseau mammifère qui est formé par tous les neurones inhibiteurs”, explique Wang.

Les scientifiques du MIT ont également collaboré avec une équipe de théoriciens dirigée par David Golomb de l’Université Ben Gourion, en Israël, et David Kleinfeld de l’Université de Californie à San Diego. Les théoriciens ont créé un modèle de calcul détaillé décrivant comment le fouettage est contrôlé, ce qui correspond bien à toutes les données expérimentales. Un article décrivant ce modèle paraîtra dans un prochain numéro de Neurone.

Le laboratoire de Wang prévoit maintenant d’étudier d’autres types de circuits oscillatoires chez la souris, y compris ceux qui contrôlent la mastication et le léchage.

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“Nous sommes très enthousiastes à l’idée de trouver des oscillateurs de ces comportements alimentaires et de comparer et de contraster avec l’oscillateur fouettant, car ils sont tous dans le tronc cérébral, et nous voulons savoir s’il existe un thème commun ou s’il existe de nombreuses façons différentes de générer des oscillateurs. ,” elle dit.

Financement: La recherche a été financée par les National Institutes of Health.

À propos de cette actualité de la recherche en neurosciences comportementales

Auteur: Anne Trafton
La source: MIT
Contact: Anne Trafton – MIT
Image: L’image est attribuée aux chercheurs

Recherche originale : Libre accès.
Le circuit de l’oscillateur fouettant” de Jun Takatoh et al. La nature


Résumé

Le circuit de l’oscillateur fouettant

Les récepteurs de surface cellulaire à passage unique régulent les processus cellulaires en transmettant des signaux codés par des ligands à travers la membrane plasmique via des modifications de leurs conformations extracellulaires et intracellulaires. Cette signalisation transmembranaire est généralement initiée par la liaison des ligands aux récepteurs sous leur forme monomérique.

Alors que les interactions récepteur-récepteur ultérieures sont établies comme des aspects clés de la signalisation transmembranaire, la contribution des récepteurs monomères a été difficile à isoler en raison de la complexité et de la dépendance au ligand de ces interactions.

En combinant des nanodisques membranaires produits avec une expression sans cellule, des mesures de transfert d’énergie de résonance de Förster à molécule unique et des simulations de dynamique moléculaire, nous rapportons que la liaison du ligand induit des changements de conformation intracellulaires au sein du récepteur du facteur de croissance épidermique monomérique de pleine longueur (EGFR).

Nos observations établissent l’existence d’un couplage conformationnel extracellulaire/intracellulaire au sein d’une même molécule réceptrice. Nous impliquons une série d’interactions électrostatiques dans le couplage conformationnel et constatons que le couplage est inhibé par des thérapies ciblées et des mutations qui inhibent également la phosphorylation dans les cellules.

Collectivement, ces résultats introduisent un mécanisme facile pour lier les régions extracellulaires et intracellulaires à travers l’hélice transmembranaire unique de l’EGFR monomère, et soulèvent la possibilité que les changements conformationnels transmembranaires intramoléculaires lors de la liaison du ligand soient communs aux protéines membranaires à passage unique.

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