Comment les neurones construisent et maintiennent leur capacité à communiquer

Aperçu: Les chercheurs révèlent comment les neurones établissent et maintiennent l’infrastructure vitale qui permet une neurotransmission transparente.

La source: Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire

Le système nerveux fonctionne parce que les neurones communiquent par des connexions appelées synapses. Ils “parlent” lorsque les ions calcium circulent à travers des canaux dans des “zones actives” chargées de vésicules porteuses de messages moléculaires.

Le calcium chargé électriquement fait « fondre » les vésicules avec la membrane externe des neurones présynaptiques, libérant leur charge chimique communicative au niveau de la cellule post-synaptique.

Dans une nouvelle étude, des scientifiques de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire du MIT font plusieurs révélations sur la façon dont les neurones mettent en place et maintiennent cette infrastructure vitale.

“Les canaux calciques sont le principal déterminant de l’afflux de calcium, qui déclenche ensuite la fusion des vésicules, c’est donc une partie essentielle du moteur du côté présynaptique qui convertit les signaux électriques en transmission synaptique chimique”, a déclaré Troy Littleton, auteur principal de la nouvelle étude dans eVie et professeur Menicon de neurosciences dans les départements de biologie et de sciences cérébrales et cognitives du MIT.

“La façon dont ils s’accumulent dans les zones actives n’était vraiment pas claire. Notre étude révèle des indices sur la façon dont les zones actives s’accumulent et régulent l’abondance des canaux calciques.”

Les neuroscientifiques voulaient ces indices. L’une des raisons est que la compréhension de ce processus pourrait aider à révéler comment les neurones modifient leur façon de communiquer, une capacité appelée « plasticité » qui sous-tend l’apprentissage, la mémoire et d’autres fonctions cérébrales importantes.

Une autre est que des médicaments comme la gabapentine, qui traitent des conditions aussi diverses que l’épilepsie, l’anxiété et les douleurs nerveuses, se lient à une protéine appelée alpha2delta, qui est étroitement liée aux canaux calciques. En révélant plus sur la fonction exacte d’alpha2delta, l’étude explique mieux ce que ces traitements affectent.

Plus les scientifiques éliminent une protéine appelée alfa2delta avec différentes manipulations (deux colonnes de droite), moins le canal Cac-calcium s’accumule dans les zones actives synaptiques d’un neurone de vol (luminosité et nombre de points verts) par rapport aux témoins non modifiés (colonne de gauche).

“La modulation de la fonction des canaux calciques présynaptiques est connue pour avoir des effets cliniques très importants”, a déclaré Littleton. “Il est très important de comprendre la base de la façon dont ces canaux sont réglementés.”

La postdoctorante du MIT, Karen Cunningham, a dirigé l’étude, qui était sa thèse dans le laboratoire de Littleton. À l’aide du système modèle de motoneurone de la drosophile, elle a utilisé un large éventail de techniques et d’expériences pour démontrer pour la première fois le processus par étapes responsable de la distribution et du maintien des canaux calciques dans les zones actives.

Un plafond sur Cac

La première question de Cunningham était de savoir si les canaux calciques sont nécessaires au développement des zones actives chez les larves. Le gène du canal calcique pour les mouches (appelé “cacophonie” ou Cac) est si important que les mouches ne peuvent littéralement pas vivre sans lui. Ainsi, au lieu de désactiver directement Cac, Cunningham a utilisé une technique consistant à le désactiver dans une seule population de neurones. Ce faisant, elle a pu montrer que même sans Cac, les zones actives se développent et mûrissent normalement.

En utilisant une autre technique qui allonge artificiellement le stade larvaire de la mouche, elle a également pu voir que compte tenu du temps supplémentaire, la zone active continuera à construire sa structure avec une protéine appelée BRP, mais que l’accumulation de Cac s’arrête après la normale de six jours. .

Cunningham a également découvert qu’une augmentation ou une diminution modérée de l’apport de Cac disponible dans le neurone n’affectait pas la quantité de Cac qui se rendait dans chaque zone active. Encore plus curieuse, elle a découvert que si la quantité de Cac augmentait avec la taille de chaque zone active, lorsqu’elle enlevait une grande partie du BRP dans la zone active, elle bougeait à peine. En effet, pour chaque zone active, le neurone semblait imposer une limite cohérente à la quantité de Cac présente.

“Il était révélateur que le neurone avait des règles très différentes pour les protéines structurelles de la zone active comme le BRP qui continuaient à s’accumuler au fil du temps, par rapport au canal calcique qui était étroitement régulé et dont l’abondance était plafonnée”, a déclaré Cunningham.

Renouveler régulièrement

Le modèle de l’équipe montre des facteurs qui régulent la quantité de Cac dans les zones actives. Le développement d’échafaudages en zone active et la livraison de Cac via alpha2delta l’augmentent, tandis que les ventes le maintiennent sous contrôle. La biosynthèse du Cac n’augmente guère l’abondance.

Les résultats ont montré qu’il doit y avoir des facteurs autres que l’approvisionnement en Cac ou les changements de BRP qui régulent si étroitement les niveaux de Cac. Cunningham s’est tourné vers alpha2delta. Lorsqu’elle a modifié génétiquement la quantité exprimée, elle a découvert que les niveaux d’alpha2 delta déterminaient directement la quantité de Cac accumulée dans les zones actives.

Dans d’autres expériences, Cunningham a également pu montrer que la capacité d’alpha2delta à maintenir les niveaux de Cac dépendait de l’apport total de Cac du neurone. Cette découverte suggère qu’au lieu de contrôler la quantité de Cac dans les zones actives en la stabilisant, l’alpha-2delta a probablement fonctionné en amont, pendant la contrebande de Cac, pour fournir et redonner du Cac aux zones actives.

Cunningham a utilisé deux techniques différentes pour voir comment le réapprovisionnement s’est déroulé, produisant des mesures de taille et de calendrier. Elle a choisi un moment après quelques jours de développement pour imager les zones actives et mesurer la quantité de Cac pour déterminer le paysage. Elle a blanchi cette fluorescence Cac pour l’effacer.

Après 24 heures, elle a re-visualisé la fluorescence Cac pour mettre en évidence uniquement le nouveau Cac délivré aux zones actives pendant ces 24 heures. Elle a vu qu’il y avait une libération de Cac dans pratiquement toutes les zones actives ce jour-là, mais que le travail d’une journée n’était en effet qu’une fraction de ce qui s’était accumulé les jours précédents.

De plus, elle a pu voir que les plus grandes zones actives accumulaient plus de Cac que les plus petites. Et chez les mouches avec alpha2delta muté, il y avait très peu de nouveaux apports en Cac.

Si les canaux Cac sont effectivement constamment réapprovisionnés, alors Cunningham a voulu savoir à quelle vitesse les canaux Cac sont retirés des zones actives.

Plus les scientifiques éliminent une protéine appelée alfa2delta avec différentes manipulations (deux colonnes de droite), moins le canal Cac-calcium s’accumule dans les zones actives synaptiques d’un neurone de vol (luminosité et nombre de points verts) par rapport aux témoins non modifiés (colonne de gauche). Crédit : Littleton Lab/MIT Picower Institute

Pour déterminer cela, elle a utilisé une technologie de coloration qui comprenait une protéine photoconvertible appelée Maple, étiquetée à la protéine Cac, ce qui lui permettait de changer de couleur avec un flash de lumière quand elle le voulait. De cette façon, elle pouvait d’abord voir combien de Cac s’était accumulé en un temps donné (indiqué en vert), puis faire clignoter la lumière pour rendre ce Cac rouge.

Lorsqu’elle est revenue cinq jours plus tard, environ 30 % du Cac rouge avaient été remplacés par du nouveau Cac vert, suggérant 30 % des ventes. Lorsqu’elle a abaissé les niveaux de libération de Cac en mutant alpha2-delta ou en diminuant la biosynthèse de Cac, le renouvellement de Cac s’est arrêté. Cela signifie qu’une quantité importante de Cac est convertie en zones actives chaque jour et que le chiffre d’affaires est tiré par le nouvel approvisionnement en Cac.

Littleton a déclaré que son laboratoire était heureux de s’appuyer sur ces résultats. Maintenant que les règles d’abondance et de reconstitution des canaux calciques sont claires, il veut savoir en quoi elles diffèrent lorsque les neurones subissent une plasticité, par exemple lorsque de nouvelles informations entrantes obligent les neurones à adapter leur communication pour augmenter ou diminuer la communication synaptique.

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Il a dit qu’il aimerait également surveiller les canaux calciques individuels au fur et à mesure qu’ils sont fabriqués dans le corps cellulaire, puis voyager à travers l’axone neural jusqu’aux zones actives, et il veut déterminer quels autres gènes peuvent influencer l’abondance de Cac.

Outre Cunningham et Littleton, les autres auteurs du journal sont Chad Sauvola et Sara Tavana.

Financement : Les National Institutes of Health et la Fondation JPB ont soutenu la recherche.

À propos de cette actualité de la recherche en neurosciences

Auteur: David Orenstein
La source: Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire
Contact: David Orenstein – Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire
Image: Image créditée à Littleton Lab/MIT Picower Institute

Recherche originale : Libre accès.
“Régulation de l’abondance des canaux Ca2+ présynaptiques dans les zones actives par un équilibre approvisionnement-chiffre d’affaires” par Troy Littleton et al. eVie


Résumé

Régulation de l’abondance des canaux Ca2+ présynaptiques dans les zones actives par un équilibre entre l’offre et le renouvellement

Ca dépendant de la tension2+ canaux (VGCC) médiatisent Ca2+ influx pour déclencher la libération de neurotransmetteurs au niveau de sites présynaptiques spécialisés appelés zones actives (AZ). L’abondance de VGCC au niveau des AZ régule la probabilité de libération de neurotransmetteurs (pr), un déterminant présynaptique important de la force synaptique. Bien que la biosynthèse, la livraison et le recyclage fonctionnent ensemble pour déterminer l’abondance de AZ VGCC, isoler expérimentalement ces différents processus de régulation a été difficile.

Nous décrivons ici comment les niveaux AZ de cacophonie (Cac), le seul VGCC qui contrôle la transmission synaptique dans Drosophilesont déterminés.

Nous avons également analysé la relation entre Cac, la sous-unité régulatrice VGCC conservée α2δ, et la protéine d’échafaudage AZ centrale Bruchpilot (BRP) dans l’établissement d’un AA fonctionnel. Nous constatons que Cac et BRP sont régulés indépendamment dans les AZ en croissance, car Cac est redondant pour la formation d’AZ et la maturation structurelle, et l’abondance de BRP n’est pas limitante pour l’accumulation de Cac. De plus, les AZ cessent d’accumuler du Cac après une phase de croissance initiale, tandis que les niveaux de BRP continuent d’augmenter après un temps de développement plus long. AZ Cac est également tamponné contre les augmentations ou diminutions modérées de la biosynthèse, tandis que le BRP manque de ce tampon.

Pour étudier les mécanismes déterminant l’abondance de AZ Cac, la photoconversion intravitale FRAP et Cac a été utilisée pour mesurer séparément la livraison et le renouvellement dans les AZ individuelles sur une période de plusieurs jours. La libération de Cac se produit généralement dans la population AZ, est en corrélation avec la taille AZ et est limitée par α2δ.

Bien que le Cac ne subisse pas de transfert latéral significatif entre les AZ voisines au cours du développement, l’élimination du Cac des AZ se produit et est favorisée par une nouvelle libération de Cac, générant une limite sur l’accumulation de Cac dans les AZ matures.

Ensemble, ces résultats démontrent comment la biosynthèse de Cac, la livraison synaptique et le recyclage déterminent l’abondance des VGCC au niveau des AZ individuelles pendant le développement et la maintenance des synapses.

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