Des scientifiques découvrent une complexité inattendue des connexions cérébelleuses

Des images de milliers de cellules de Purkinje révèlent que presque toutes les cellules humaines ont plusieurs dendrites primaires. Ces structures, lorsqu’elles sont observées chez la souris, facilitent les connexions avec de multiples fibres grimpantes provenant du tronc cérébral.

En 1906, le chercheur espagnol Santiago Ramón y Cajal a reçu le prix Nobel pour son exploration pionnière des structures microscopiques du cerveau. Ses illustrations renommées de cellules de Purkinje dans le cervelet représentent une forêt de structures neuronales, avec de multiples grosses branches jaillissant du corps cellulaire et se divisant en de beaux motifs ressemblant à des feuilles.

Malgré ces premières représentations montrant plusieurs dendrites se ramifiant à partir du corps cellulaire, le consensus durable parmi les neuroscientifiques est que les cellules de Purkinje ne possèdent qu’une seule dendrite principale qui forme une connexion avec une seule fibre grimpante provenant du tronc cérébral. Cependant, une étude récente de l’Université de Chicago, récemment publiée dans la revue Sciencerévèle que les croquis de Cajal étaient en effet exacts – pratiquement toutes les cellules de Purkinje du cervelet humain ont plusieurs dendrites primaires.

D’autres études chez la souris ont montré qu’environ 50% de leurs cellules de Purkinje ont également cette structure plus complexe, et parmi ces cellules, 25% reçoivent l’apport de plusieurs fibres grimpantes qui se connectent à différentes branches de dendrites primaires. Des expériences enregistrant l’activité cellulaire chez des souris vivantes ont également révélé que les branches primaires peuvent être activées indépendamment, répondant à différents stimuli de l’environnement.

“Plus vous travaillez avec un certain prototype de cellule dans votre esprit, plus vous l’acceptez”, a déclaré Christian Hansel, Ph.D., professeur de neurobiologie à UChicago et auteur principal de l’étude, faisant référence au modèle canonique qui Les cellules de Purkinje ont une dendrite primaire qui se connecte à une fibre grimpante. “Ces dessins de Cajal existent depuis les années 1900, donc nous avons certainement eu assez de temps pour y prêter attention, mais ce n’est que maintenant avec cette analyse quantitative que nous voyons qu’il est presque universel que les cellules humaines ont chacune plusieurs dendrites complètes, et nous pouvons voir que cela fait aussi une différence qualitative.

Réécrire une idée de manuel

Le cervelet (du latin, « petit cerveau ») se trouve à la base du crâne, juste au-dessus de l’endroit où la moelle épinière se connecte. Depuis que le médecin français Jean Pierre Flourens a décrit pour la première fois la fonction du cervelet en 1824, les scientifiques pensaient que son seul travail consistait à coordonner le mouvement et l’activité musculaire, mais les progrès technologiques ont montré que le cervelet joue également un rôle important dans le traitement des informations sur les organes internes et environnement extérieur, y compris les sensations de proprioception et d’équilibre.

Les cellules cérébelleuses de Purkinje sont comme de grandes antennes recevant des milliers d’entrées véhiculant un éventail d’informations contextuelles du reste du corps. Ces signaux sont ensuite intégrés à un signal d’erreur de prédiction, indiquant un décalage entre le contexte et les attentes du cerveau. Ce signal d’erreur est fourni par les fibres nerveuses qui remontent du tronc cérébral et se connectent à leurs structures cibles de dendrites de Purkinje. De manière tout à fait appropriée, ces nerfs sont appelés « fibres grimpantes ».

La compréhension standard de ces connexions a été que chaque cellule de Purkinje a une dendrite primaire qui se ramifie à partir du corps cellulaire et se connecte à une fibre grimpante, formant une seule unité de calcul. La croyance en cette relation un à un entre les fibres grimpantes et les cellules de Purkinje, un dogme central dans le domaine que l’on peut trouver dans tous les manuels de neurosciences, provient en grande partie d’études sur les rongeurs, qui ont principalement la configuration de dendrite unique.

Cellules de Purkinje de souris. Bien que 50% des cellules de Purkinje de souris aient une seule dendrite primaire, l’autre moitié a plusieurs dendrites un peu comme les cellules humaines. Crédit : Silas Busch, Université de Chicago

De nombreuses études de ces structures dans le passé se sont concentrées sur un petit nombre de cellules, donc pour cette nouvelle recherche, Silas Busch, étudiant au doctorat dans le laboratoire de Hansel et premier auteur de l’article, a commencé par examiner des milliers de cellules humaines et tissu de souris. Il a utilisé une technique de coloration ciblée à base d’anticorps, connue sous le nom d’immunohistochimie, pour marquer sélectivement les cellules de Purkinje dans de fines tranches de cervelet. Il a ensuite classé la structure de toutes les cellules qu’il a pu observer et a découvert que plus de 95 % des cellules de Purkinje humaines avaient plusieurs dendrites primaires, alors que chez les souris, ce chiffre était beaucoup plus proche de la moitié.

“Vous avez une idée à quel point c’était une idée dominante dans le domaine parce que anatomiquement, ils sont appelés la dendrite” primaire “d’une cellule”, a déclaré Busch. “Ainsi, même la description de la structure de ces cellules est basée sur ce prototype de souris qui a une dendrite que vous pouvez appeler une dendrite primaire.”

Ce remarquable

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>espèce[{“attribute=””>species différence, dans l’une des zones cérébrales les plus conservées au cours de l’évolution partagée entre les mammifères et même d’autres

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>vertébrés[{“attribute=””>vertebrates, ont conduit Busch et Hansel à se demander s’il pourrait y avoir une conséquence fonctionnelle à avoir plusieurs dendrites primaires au lieu d’une seule. La fibre grimpante, avec une relation univoque propice et un enchevêtrement intime de la dendrite primaire, a été leur premier suspect.

À l’aide de sections de cervelet de souris contenant des cellules encore vivantes, Busch a injecté aux cellules un colorant pour voir leurs branches, puis a stimulé les apports de fibres grimpantes. Il a observé que 25% des cellules avec plusieurs dendrites primaires recevaient plusieurs fibres grimpantes, réécrivant une idée de manuel selon laquelle chaque cellule de Purkinje ne reçoit qu’une seule fibre grimpante, contrairement aux cellules avec une seule dendrite primaire.

Souris qui marchent et moustaches qui se tortillent

Encouragé par cette découverte qu’une partie importante – bien qu’une minorité – des cellules de Purkinje avec plusieurs dendrites primaires recevaient également des apports de plusieurs fibres grimpantes, Busch a mené une série d’expériences sur des souris vivantes pour voir si cela entraînait des différences fonctionnelles chez la souris vivante. Tout d’abord, il a injecté un colorant indicateur de calcium fluorescent dans le cervelet et a implanté une petite fenêtre en verre afin qu’il puisse ensuite observer le flux de calcium dans les dendrites des cellules de Purkinje. En retenant la tête de la souris sous un microscope pendant qu’elle courait sur un tapis roulant, il pouvait mesurer le flux de calcium qui indiquait quand une fibre grimpante fournissait une forte entrée à la cellule. Dans les cellules avec une dendrite primaire, les images à haute résolution ont montré que le signal d’activité était uniforme sur toute sa structure ; dans les cellules avec plusieurs dendrites primaires, il pouvait détecter une activité de chaque côté se produisant à des moments différents, ce qui signifie qu’une dendrite pouvait être activée par sa fibre grimpante tandis que l’autre dendrite dans la même cellule ne l’était pas.

Ensuite, Busch a voulu voir s’il pouvait démêler l’activité individuelle des fibres grimpantes en utilisant un stimulus plus précis : les moustaches de la souris. Pour cette expérience cependant, Busch a dû endormir les souris (“Je ne sais pas si vous avez déjà essayé de stimuler des moustaches individuelles chez une souris éveillée, mais c’est vraiment difficile”, a-t-il déclaré). Les souris endormies, Busch a enfilé des moustaches individuelles dans un petit tube de verre et les a agitées d’avant en arrière. Ici, il a également pu voir une activité dans des branches dendritiques distinctes des cellules de Purkinje, ce qui suggère que des fibres grimpantes individuelles signalaient l’apport de moustaches individuelles à des dendrites individuelles.

Enfin, pour un scénario plus réel, Busch a également testé des souris éveillées avec plusieurs stimuli, comme des éclairs de lumière, des sons ou des bouffées d’air sur les moustaches. Encore une fois, il a vu des différences entre les cellules de Purkinje. Dans certains, une branche favoriserait différemment un stimulus, de sorte qu’elle pourrait être particulièrement sensible à la lumière mais pas au son. Ensuite, l’autre branche pourrait être préférentiellement sensible au son, mais pas à la lumière.

“Cela s’est produit dans une minorité de cellules car il y en a moins avec plusieurs branches chez les souris, et toutes n’obtiennent pas plusieurs fibres grimpantes, mais la présence de cet effet était tout de même très intéressante”, a déclaré Busch. “Cela a confirmé cette idée que les deux entrées de fibres grimpantes auront des objectifs fonctionnels différents qui représentent des informations différentes.”

La connectivité du cervelet devient plus claire

Cette nouvelle preuve bouleverse la pensée standard sur une zone du cerveau que l’on pense être assez résolue anatomiquement et qui a également des conséquences fonctionnelles. Alors que les fibres grimpantes fournissent des informations du tronc cérébral, les cellules de Purkinje agrègent et traitent ces informations. Plusieurs entrées se connectant à plusieurs points sur les cellules fournissent plus de puissance de calcul, permettant aux circuits cérébraux de s’adapter et de répondre aux changements de l’environnement ou du corps qui nécessitent différents mouvements, et cette connectivité non canonique est étroitement liée à la structure des dendrites des cellules de Purkinje .

Il existe également des preuves que ces connexions dans le cervelet peuvent être impliquées dans la maladie. En 2013, par exemple, Hansel a travaillé sur une étude avec le neurologue UChicago Christopher Gomez, MD, Ph.D., montrant que les connexions des fibres grimpantes à Purkinje sont plus faibles dans les modèles murins d’ataxie cérébelleuse, un trouble du mouvement. D’autre part, Busch, Hansel et Gomez ont publié des travaux avec l’ancienne étudiante diplômée de UChicago, Dana Simmons, montrant que ces liens sont plus forts dans les modèles de duplication génétique et de surexpression de l’autisme. D’autres chercheurs démontrent également des connexions plus fortes dans certains types de tremblements. Une meilleure compréhension des structures biologiques essentielles de ces cellules permettra, espérons-le, de mieux comprendre ces conditions.

“Les personnes qui étudient d’autres parties du cerveau comme le néocortex ou l’hippocampe ont toujours plus ou moins une idée de ce que fait cette structure cérébrale”, a déclaré Hansel. “Ceux d’entre nous qui étudions le cervelet ont toujours eu cette idée qu’il s’agissait de coordination et d’adaptation motrices, mais il était également clair que c’était quelque chose au-delà de cela. Maintenant, ce sera plus facile à saisir à mesure que la connectivité deviendra plus claire.

Référence : « Climbing fiber multi-innervation of mouse Purkinje dendrites with arborization common to human » par Silas E. Busch et Christian Hansel, 27 juillet 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adi1024

L’étude a été financée par l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux, l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux et le

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