Taille de la pupille régulée par l’orexine, pas les hormones de stress

Résumé: Les chercheurs ont découvert que le neurotransmetteur orexine, et non l’hormone du stress noradrénaline seule, régule la taille de la pupille, ce qui remet en question la compréhension préalable. Les neurones orexine affectent la taille de la pupille en réponse aux états émotionnels et à la tension mentale, pas seulement à l’exposition à la lumière.

Les résultats établissent un lien entre l’activité de l’orexine et plusieurs affections neurologiques, notamment la narcolepsie et la maladie d’Alzheimer, offrant de nouvelles voies de diagnostic. Cette recherche peut également éclairer notre compréhension de la régulation de la conscience et de l’attention.

Faits marquants:

1. Les neurones à orexine, et non la noradrénaline, sont principalement responsables de la régulation de la taille de la pupille, ce qui remet en question la croyance scientifique de longue date.
2. Les chercheurs ont découvert une relation dose-dépendante entre l’activité des neurones d’orexine et le diamètre de la pupille, fournissant une méthode directe de mesure de l’activité d’orexine.
3. Ces découvertes relient l’orexine à plusieurs conditions neurologiques telles que la maladie d’Alzheimer, la narcolepsie, les accidents vasculaires cérébraux et le syndrome de Prader-Willi, simplifiant et améliorant potentiellement les méthodes de diagnostic.

Source: ETH Zurich

La façon dont le cerveau régule la taille de la pupille est différente de ce que l’on pensait auparavant : le neurotransmetteur orexine est fondamentalement responsable, comme l’ont maintenant montré des chercheurs de l’ETH Zurich.

Cette découverte pourrait bien modifier notre compréhension de la conscience et des maladies telles que la narcolepsie et la maladie d’Alzheimer.

«L’effet était si fort que nous savions immédiatement que nous étions sur quelque chose d’important», se souvient Nikola Grujic, postdoctorant au Laboratoire de dynamique neurocomportementale de l’ETH Zurich.

Grâce à une série d’expériences initiales sur des souris, il a étudié ce qu’on appelle les neurones à orexine, l’un des principaux domaines de recherche du laboratoire. Il a observé que la stimulation des cellules nerveuses provoquait une expansion notable des pupilles des souris.

« Très souvent, les effets de la neurostimulation se perdent dans le bruit des données de mesure, qu’il faut ensuite filtrer minutieusement pour les retrouver. Cette fois, c’était différent. L’effet était évident », dit-il.

Décrits pour la première fois en 1998, les neurones à orexine s’étendent de l’hypothalamus à toutes les autres zones du cerveau, y compris celles qui contrôlent la conscience et les fonctions autonomes. Ces neurones sont impliqués dans la régulation de la commutation veille-sommeil, la durée d’attention, le système de récompense, l’appétit et la consommation d’énergie, entre autres.

Essentiel pour l’état normal de l’élève

Comme l’ont montré les mesures de Grujic, les neurones à orexine influencent directement une caractéristique centrale de l’état émotionnel d’un individu : ce ne sont pas seulement les stimuli lumineux qui font changer la taille des pupilles, mais aussi la tension mentale et les impressions émotionnelles.

À juste titre désignées dans la langue vernaculaire comme les fenêtres de l’âme, les pupilles sont couramment utilisées dans les examens médicaux et psychologiques : la taille de la pupille peut fournir une mesure de l’attention et d’autres fonctions inconsciemment contrôlées de l’organisme.

Jusqu’à présent, le principal déterminant de la taille de la pupille aux côtés de la lumière était considéré comme la noradrénaline – connue sous le nom d’hormone du stress – et son système récepteur.

Mais maintenant, les chercheurs de l’ETH ont montré que ce rôle devrait plutôt être attribué au neurotransmetteur orexine et à son système de récepteurs.

Les neurones à noradrénaline sont en effet incapables de maintenir un état pupillaire normal sans cellules nerveuses à orexine. Si le système d’orexine est éteint, les pupilles restent beaucoup trop resserrées.

“Essentiellement, les neurones à noradrénaline sont les esclaves des neurones à orexine”, explique le professeur de l’ETH Denis Burdakov, décrivant de manière colorée cette relation de dépendance.

Lien vers la narcolepsie

Dans leurs expériences, les chercheurs ont également établi un lien dose-​dépendant entre l’activité des cellules nerveuses et le diamètre de la pupille. “Les élèves nous montrent précisément à quel point les neurones à orexine de l’hypothalamus sont actifs”, explique Burdakov.

En plus de fournir aux chercheurs sur le cerveau une nouvelle façon de mesurer l’activité de l’orexine, cela ouvre de nouvelles voies de traitement médical. Il existe un lien établi de longue date entre une perturbation de la régulation de l’orexine et le trouble du sommeil narcolepsie.

Récemment, cependant, des liens ont également été observés avec d’autres maladies neurologiques telles que la maladie d’Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux et le syndrome génétique de Prader-​Willi.

Dans cette dernière condition, un dysfonctionnement du diencéphale, ou intercerveau – où se situe l’hypothalamus – entraîne de graves symptômes physiques, cognitifs et métaboliques.

Ces quatre conditions ont une composante de trouble du sommeil. À l’avenir, l’examen de la taille de la pupille pourrait aider à rechercher plus précisément l’influence de l’orexine sur ces conditions – et peut-être même simplifier et améliorer le diagnostic, dit Burdakov. À l’heure actuelle, le diagnostic de narcolepsie nécessite encore une ponction lombaire, qui est une procédure invasive.

Libérer la régulation de la conscience

En tant que neuroscientifique, Grujic voit sa découverte principalement comme une clé pour mieux comprendre comment les fonctions essentielles de notre conscience sont régulées.

« Atteindre l’équilibre entre se concentrer sur le familier et permettre à nos pensées de vagabonder et d’explorer le monde qui nous entoure est un élément essentiel de notre capacité à nous adapter à de nouvelles situations », dit-il.

La prévalence et l’éventail des troubles du déficit de l’attention diagnostiqués aujourd’hui montrent à quel point il peut être difficile de maintenir cet équilibre, dit Grujic.

L’orexine est l’un des nombreux systèmes neuromodulateurs (d’autres incluent la noradrénaline et la sérotonine) qui régulent cet équilibre. Ces systèmes font pencher la balance dans un sens ou dans l’autre selon les besoins de l’organisme.

Au début de l’évolution humaine, par exemple, les chasseurs-​cueilleurs affamés devaient se déplacer à la recherche d’une source de nourriture. S’ils étaient récompensés par la découverte de quelque chose à manger, ils devaient alors se concentrer sur leur environnement afin de pouvoir espionner davantage la nourriture.

Et lorsque les premiers humains ont finalement été rassasiés, ils ont pu porter leur attention sur la satisfaction de leurs autres besoins.

Plusieurs sous-ensembles de neurones pour des fonctions spécifiques

Dans leur étude des neurones à orexine, le groupe de recherche de Burdakov a réussi à identifier des sous-ensembles impliqués dans diverses fonctions neuronales et donc dans différentes composantes de cet équilibre.

À l’aide d’un type spécial de microscopie à fluorescence, les scientifiques ont observé la réponse de neurones à orexine individuels chez la souris et l’ont comparée aux fluctuations de la taille de la pupille. Ils ont utilisé la microscopie à deux photons, qui permet d’observer les activités de cellules individuelles dans le cerveau.

Les chercheurs ont découvert des neurones dont l’activité était positivement corrélée à la taille de la pupille – et donc au niveau d’éveil de la souris – et d’autres dont l’activité était négativement corrélée.

Ils ont également rencontré certaines cellules qui influençaient à la fois la taille de la pupille et répondaient aux récompenses, ainsi que d’autres qui étaient liées à un seul des deux facteurs.

Candidat à la réglementation de niveau supérieur

L’identification de ces sous-ensembles spécialisés au sein des neurones à orexine fournit un premier aperçu de la manière dont ceux-ci sont câblés pour soutenir les fonctions centrales de notre conscience.

De plus, Grujic affirme que l’influence de l’orexine sur une foule d’états comportementaux différents – de l’attention, de la commutation veille-sommeil et de la recherche de récompense à l’appétit et à la consommation d’énergie – en fait un candidat de choix pour leur régulation de niveau supérieur.

Les découvertes des chercheurs de l’ETH ouvrent la porte à de nombreuses autres voies de recherche scientifique concernant l’identification de sous-ensembles de neurones supplémentaires et la manière dont ils interagissent – à la fois les uns avec les autres et avec les systèmes de sérotonine et de noradrénaline.

Les chercheurs supposent que répondre à de telles questions ne mènera pas seulement à une compréhension beaucoup plus détaillée de la façon dont nos fonctions vitales sont régulées.

Ils prévoient également des avantages dans le diagnostic et le traitement des troubles de l’attention et du sommeil et des affections connexes. Et comme le suggèrent les exemples de la maladie d’Alzheimer et des accidents vasculaires cérébraux, ces avantages pourraient être plus importants qu’il n’y paraît à première vue.

À propos de cette actualité de la recherche en neurosciences

Auteur: Daniel Meierhans
Source: ETH Zurich
Contact: Daniel Meierhans – ETH Zurich
Image: L’image est créditée à Neuroscience News

Recherche originale : Accès libre.
“Contrôle et codage de la taille de la pupille par les neurones hypothalamiques à orexine” par Grujic N et al. Neurosciences naturelles

Abstrait

Contrôle et codage de la taille de la pupille par les neurones hypothalamiques à orexine

Les neurones cérébraux à orexine (hypocrétine) sont impliqués dans la commutation veille-sommeil et la recherche de récompenses, mais leurs rôles dans la dynamique d’éveil rapide et la perception des récompenses ne sont pas clairs.

Ici, la stimulation spécifique des cellules, la suppression et les enregistrements in vivo ont révélé de solides liens corrélatifs et causals entre la dilatation de la pupille – un marqueur quantitatif de l’excitation – et l’activité cellulaire de l’orexine.

Le codage de l’excitation et de la récompense a été distribué à travers les cellules d’orexine, indiquant qu’elles se spécialisent dans la communication rapide et multiplexée des états d’excitation et de récompense momentanés.