Des scientifiques cartographient le câblage caché du cerveau à l’aide de codes-barres à ARN, ce qui constitue une avancée majeure
Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode puissante pour cartographier la manière dont les cellules cérébrales se connectent en marquant les neurones avec des « codes-barres » moléculaires. Grâce à cette technique, ils ont pu cartographier des milliers de connexions neuronales dans le cerveau de la souris avec une vitesse et des détails remarquables.
Cette méthode pourrait approfondir la compréhension de la manière dont les réseaux cérébraux complexes sont organisés et fonctionnent. Cela pourrait également faire la lumière sur ce qui ne va pas dans les troubles neurologiques et sur la façon dont des maladies comme la maladie d’Alzheimer se développent au fil du temps.
“Lors de la conception d’un ordinateur, vous devez connaître les circuits de l’unité centrale de traitement. Si vous ne savez pas comment tout est connecté, vous ne pouvez pas comprendre sa fonction, l’optimiser ou le réparer en cas de panne. Nous abordons le cerveau de la même manière”, a déclaré Boxuan Zhao, responsable de l’étude et professeur de biologie cellulaire et du développement à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
“Notre technologie permet de cartographier simultanément des milliers de connexions neuronales avec une résolution d’une seule synapse – une capacité qui n’existe dans aucune technologie actuelle. Elle est directement applicable à la compréhension du dysfonctionnement des circuits dans les maladies neurodégénératives et pourrait fournir une plate-forme pour développer des interventions thérapeutiques guidées par des circuits”, a-t-il déclaré.
Les résultats ont été publiés dans la revue Méthodes naturelles.
Une manière plus rapide et plus détaillée de cartographier le cerveau
La cartographie du cerveau est traditionnellement lente et difficile. Les scientifiques devaient souvent découper le tissu cérébral en sections extrêmement fines, les imager au microscope et reconstituer les voies manuellement. Bien que les nouveaux outils basés sur le séquençage puissent étiqueter plusieurs neurones à la fois, ils montrent généralement où s’étend un neurone plutôt que d’identifier les cellules exactes avec lesquelles il se connecte au niveau de la synapse, a déclaré Zhao.
Pour surmonter cette limitation, l’équipe de Zhao a créé une nouvelle plateforme appelée Connectome-seq. Il attribue à chaque neurone un « code-barres » d’ARN unique. Des protéines spécialisées transportent ces codes-barres du corps principal du neurone jusqu’à la synapse, le point de rencontre de deux neurones.
Les chercheurs isolent ensuite ces synapses et utilisent le séquençage à haut débit pour lire quelles paires de codes-barres se trouvent ensemble. Cela révèle quels neurones sont directement connectés, permettant aux scientifiques de cartographier les réseaux à grande échelle.
Transformer le câblage cérébral en un problème de séquençage
“Nous avons traduit le problème de connectivité neuronale en problème de séquençage. Imaginez un gros tas de ballons. Le corps principal de chaque ballon est recouvert de codes-barres uniques, et certains descendent jusqu’au bout de la ficelle. Si deux ballons sont attachés ensemble à la fin, les deux codes-barres se rejoignent à la jonction”, a déclaré Zhao. “Ensuite, nous coupons les nœuds et séquençons les codes-barres dans chacun d’eux. Si le même nœud comporte des autocollants du ballon A et du ballon B, nous savons que ces deux ballons sont liés ensemble. Nous faisons cela dans le cerveau, juste au niveau de milliers de cellules neuronales. Avec ces informations, nous pouvons reconstruire une carte sophistiquée qui représente les connexions entre tous ces groupes apparemment flottants. “
Découvrir de nouvelles connexions de circuits cérébraux
À l’aide de Connectome-seq, l’équipe a cartographié plus de 1 000 neurones dans un circuit cérébral de souris connu sous le nom de circuit pontocérébelleux, qui relie deux régions du cerveau. L’analyse a révélé des modèles de connectivité jusqu’alors inconnus, notamment des liens directs entre des types de cellules dont on ne savait pas qu’elles se connectaient dans le cerveau adulte.
“Avec les améliorations déjà en cours dans notre laboratoire, nous sommes convaincus que nous pouvons l’améliorer encore et éventuellement atteindre l’objectif de cartographier l’ensemble du cerveau de la souris”, a déclaré Zhao.
Potentiel de transformation de la recherche sur la maladie d’Alzheimer et les maladies cérébrales
Parce qu’il est à la fois rapide et évolutif, Connectome-seq pourrait accélérer considérablement la recherche sur les maladies neurodégénératives, les troubles psychiatriques et d’autres troubles cérébraux. En comparant les connexions cérébrales chez des individus en bonne santé avec ceux à différents stades de la maladie, les scientifiques pourraient être en mesure d’identifier les premiers changements dans les circuits neuronaux.
“Avec les approches basées sur le séquençage, le temps et le coût sont considérablement réduits, ce qui permet réellement de voir les différences entre les différents cerveaux. Nous pourrions voir où les connexions changent, où se trouvent les parties les plus vulnérables du cerveau, peut-être avant même l’apparition des symptômes”, a déclaré Zhao. “Par exemple, si nous pouvons déterminer où se trouve exactement le maillon faible qui déclenche toute la cascade catastrophique de la maladie d’Alzheimer, pouvons-nous spécifiquement renforcer ces liens vers les endroits où la maladie ralentit ou ne progresse pas ?”
La recherche a été soutenue par une subvention de l’Initiative Neuro-omics de l’Institut des neurosciences Wu Tsai de l’Université de Stanford, ainsi que par un financement de la Fondation Elsa U. Pardee et de la Fondation Edward Mallinckrodt Jr..
