Comment la concurrence pour la connectivité façonne le cervelet

  • Les neurones du cervelet, appelés cellules de Purkinje, jouent un rôle dans la coordination du mouvement.
  • La recherche chez la souris suggère que les cellules de Purkinje sont en concurrence les unes avec les autres. Battre les autres cellules conduit à une croissance plus rapide et à plus de connexions dans le cerveau.
  • Le gène GluD2 peut faciliter ce processus.
Instituto Santiago Ramón y Cajal / Domaine public

Dessin de cellules de Purkinje (A) du cervelet de pigeon par Santiago Ramón y Cajal vers 1899.

Source: Instituto Santiago Ramón y Cajal / Domaine public

Dans le monde du sport, la compétition facilite les performances de pointe en renforçant la motivation et la détermination d’un athlète à être «meilleur, plus fort et plus rapide» que ses rivaux. Une nouvelle recherche de l’Université de Stanford suggère que les interactions compétitives poussent également les cellules de Purkinje dans le cervelet à se développer plus rapidement et à établir plus de connexions synaptiques que leurs rivales. Ces résultats (Takeo et al., 2021) apparaissent dans le numéro du 17 février de Neurone.

Les cellules de Purkinje sont les seuls neurones qui ont des projections vers l’extérieur du cortex cérébelleux. Par conséquent, ces neurones de forme unique jouent un rôle central dans la coordination des mouvements nécessaires aux activités quotidiennes (par exemple, faire du vélo, conduire un levier de vitesse, dactylographier, etc.) qui deviennent automatiques avec la pratique.

La structure et la connectivité fonctionnelle des cellules de Purkinje sont également essentielles aux prouesses athlétiques et à la mémoire musculaire bien conditionnée dans le sport. Avoir des cellules de Purkinje saines avec une connectivité robuste avec d’autres régions du cerveau facilite la performance des fluides, tandis que le dysfonctionnement des cellules de Purkinje du cervelet est associé à des problèmes de mouvement et à l’ataxie. (Miterko et al., 2021)

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D’un point de vue métacognitif, la découverte récente selon laquelle la compétition entre les cellules de Purkinje les aide à s’épanouir reflète le rôle que jouent ces neurones en forme d’arbre pour aider les athlètes à triompher de leurs concurrents en se déplaçant avec une précision, une fluidité et une grâce parfaitement chronométrées. (Voir “Nouveaux avantages de la stimulation du cervelet à 13 Hz.”)

Les dernières découvertes sur le cervelet mettent en lumière la façon dont les circuits neuronaux se forment et comment le cervelet et d’autres régions du cerveau sont reliés entre eux via la neuroplasticité. Liqun Luo est l’auteur principal de cette étude; Les co-premiers auteurs Yukari Takeo et S. Andrew Shuster ont contribué à parts égales à la recherche.

«Les cellules de Purkinje sont mon premier amour parce qu’elles étaient les premiers neurones de mammifères que j’ai étudiés, alors que j’étais encore post-doctorant», a déclaré Luo dans un communiqué de presse du 11 mars. “Ils ressemblent à de beaux arbres et il existe de nombreux outils génétiques pour les étudier.” Selon Luo, cette étude aborde certaines «grandes questions sans réponse» telles que «Comment le cerveau est-il câblé?» et “Comment se forment les circuits neuronaux?”

«Imaginez qu’une cellule de Purkinje soit un arbre», a-t-il ajouté. “L’étiquetage des cellules individuelles vous permet d’éclairer un arbre entier dans une forêt dense de neurones, alors que si toutes les cellules de Purkinje sont étiquetées, il est difficile de visualiser à quoi ressemble un arbre individuel.”

Comment les souris ont révélé le fonctionnement neuronal

Pour cette première étude en son genre, Luo et ses membres de laboratoire ont utilisé des souris knock-out génétiquement modifiées dépourvues du gène GluD2 et ont comparé le fonctionnement de leurs cellules Purkinje lors d’une comparaison côte à côte avec des souris non knock-out. avec le gène GluD2. Les chercheurs ont également utilisé des modèles informatiques pour simuler la croissance des dendrites et la formation précoce des synapses.

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Luo et ses co-auteurs ont découvert que les branches de dendrites des cellules de Purkinje semblent se concurrencer les unes avec les autres dans un type de compétition «gagnant prend tout» pour croître plus vite et battre leurs adversaires dans une course pour former des connexions synaptiques précoces. Les cellules de Purkinje pionnières qui établissent des connexions réussies dès la sortie de la porte semblent connaître une spirale ascendante qui augmente de manière exponentielle les chances de ces neurones particuliers de connaître une croissance dendritique plus rapide et d’établir par la suite de plus en plus de connexions synaptiques.

Notamment, les chercheurs ont découvert que les souris sans le gène GluD2 étaient incapables de croître rapidement et d’établir des connexions synaptiques précoces. Les cellules de Purkinje dépourvues de ce gène avaient une croissance très lente des dendrites au début, ce qui a entraîné une morphogenèse des dendrites qui a fait leur forme non pas comme des arbres mais plutôt comme des «pyramides à l’envers».

Inversement, les cellules de Purkinje avec le gène GluD2 ont prospéré. Comme l’expliquent les auteurs: “Les cellules de Purkinje avec le gène GluD2 fonctionnel se sont développées dans leur forme carrée habituelle avec même des branches de dendrite au bas de l’arbre (croissance précoce) et au sommet (croissance ultérieure).”

“La clé de cette étude est la capacité de comparer les cellules de Purkinje voisines qui possèdent et n’ont pas le gène GluD2”, a noté Luo. “Cela révèle la concurrence entre les dendrites pour les synapses et comment les dendrites se développent avec des synapses normales ou réduites pour les stabiliser.”

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«Nos résultats soutiennent l’hypothèse synaptotrophique aux stades initiaux du développement de la dendrite, suggèrent un deuxième mode dans lequel la formation cumulative de synapse inhibe la croissance de la dendrite et soulignent l’importance de la compétition dans la morphogenèse des dendrites», concluent les chercheurs.