Les neurones communiquent entre eux via des impulsions électriques, qui sont produites par des canaux ioniques qui contrôlent le flux d’ions tels que le potassium et le sodium. Dans une nouvelle découverte surprenante, les neuroscientifiques du MIT ont montré que les neurones humains ont un nombre beaucoup plus petit de ces canaux que prévu, par rapport aux neurones d’autres mammifères.
Les chercheurs émettent l’hypothèse que cette réduction de la densité des canaux a peut-être aidé le cerveau humain à évoluer pour fonctionner plus efficacement, lui permettant de détourner des ressources vers d’autres processus énergivores nécessaires à l’exécution de tâches cognitives complexes.
“Si le cerveau peut économiser de l’énergie en réduisant la densité des canaux ioniques, il peut dépenser cette énergie dans d’autres processus neuronaux ou de circuit”, explique Mark Harnett, professeur agrégé de cerveau et de sciences cognitives, membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT. , et l’auteur principal de l’étude.
Harnett et ses collègues ont analysé les neurones de 10 mammifères différents, l’étude électrophysiologique la plus approfondie de ce type, et ont identifié un “plan de construction” qui s’applique à toutes les espèces qu’ils ont examinées, à l’exception des humains. Ils ont découvert qu’à mesure que la taille des neurones augmente, la densité des canaux trouvés dans les neurones augmente également.
Cependant, les neurones humains se sont révélés être une exception frappante à cette règle.
“Des études comparatives précédentes ont établi que le cerveau humain est construit comme les autres cerveaux de mammifères, nous avons donc été surpris de trouver des preuves solides que les neurones humains sont spéciaux”, explique Lou Beaulieu-Laroche, ancien étudiant diplômé du MIT.
Beaulieu-Laroche est l’auteur principal de l’étudequi paraît aujourd’hui dans La nature.
Un projet de construction
Les neurones du cerveau des mammifères peuvent recevoir des signaux électriques de milliers d’autres cellules, et cette entrée détermine s’ils déclencheront ou non une impulsion électrique appelée potentiel d’action. En 2018, Harnett et Beaulieu-Laroche découvert que les neurones humains et de rat diffèrent dans certaines de leurs propriétés électriques, principalement dans des parties du neurone appelées dendrites – des antennes en forme d’arbre qui reçoivent et traitent les entrées d’autres cellules.
L’une des conclusions de cette étude était que les neurones humains avaient une densité de canaux ioniques inférieure à celle des neurones du cerveau de rat. Les chercheurs ont été surpris par cette observation, car la densité des canaux ioniques était généralement supposée constante d’une espèce à l’autre. Dans leur nouvelle étude, Harnett et Beaulieu-Laroche ont décidé de comparer les neurones de plusieurs espèces de mammifères différentes pour voir s’ils pouvaient trouver des modèles qui régissaient l’expression des canaux ioniques. Ils ont étudié deux types de canaux potassiques voltage-dépendants et le canal HCN, qui conduit à la fois le potassium et le sodium, dans les neurones pyramidaux de la couche 5, un type de neurones excitateurs trouvés dans le cortex cérébral.
Ils ont pu obtenir des tissus cérébraux de 10 espèces de mammifères : des musaraignes étrusques (l’un des plus petits mammifères connus), des gerbilles, des souris, des rats, des cobayes, des furets, des lapins, des ouistitis et des macaques, ainsi que des tissus humains prélevés sur des patients atteints de l’épilepsie pendant la chirurgie cérébrale. Cette variété a permis aux chercheurs de couvrir une gamme d’épaisseurs corticales et de tailles de neurones à travers le règne des mammifères.
Les chercheurs ont découvert que chez presque toutes les espèces de mammifères qu’ils ont examinées, la densité des canaux ioniques augmentait à mesure que la taille des neurones augmentait. La seule exception à ce modèle concernait les neurones humains, qui avaient une densité de canaux ioniques beaucoup plus faible que prévu.
L’augmentation de la densité de canaux à travers les espèces était surprenante, dit Harnett, car plus il y a de canaux, plus il faut d’énergie pour pomper les ions dans et hors de la cellule. Cependant, cela a commencé à avoir un sens une fois que les chercheurs ont commencé à réfléchir au nombre de canaux dans le volume global du cortex, dit-il.
Dans le minuscule cerveau de la musaraigne étrusque, qui est rempli de très petits neurones, il y a plus de neurones dans un volume de tissu donné que dans le même volume de tissu du cerveau du lapin, qui a des neurones beaucoup plus gros. Mais parce que les neurones de lapin ont une densité plus élevée de canaux ioniques, la densité de canaux dans un volume de tissu donné est la même dans les deux espèces, ou dans n’importe laquelle des espèces non humaines analysées par les chercheurs.
“Ce plan de construction est cohérent pour neuf espèces de mammifères différentes”, déclare Harnett. «Ce que le cortex semble essayer de faire, c’est de maintenir le même nombre de canaux ioniques par unité de volume pour toutes les espèces. Cela signifie que pour un volume de cortex donné, le coût énergétique est le même, du moins pour les canaux ioniques.
Efficacité énergétique
Le cerveau humain représente cependant une déviation frappante de ce plan de construction. Au lieu d’une augmentation de la densité des canaux ioniques, les chercheurs ont constaté une diminution spectaculaire de la densité attendue des canaux ioniques pour un volume donné de tissu cérébral.
Les chercheurs pensent que cette densité plus faible a peut-être évolué comme un moyen de dépenser moins d’énergie pour pomper des ions, ce qui permet au cerveau d’utiliser cette énergie pour autre chose, comme créer des connexions synaptiques plus compliquées entre les neurones ou déclencher des potentiels d’action à un rythme plus élevé.
“Nous pensons que les humains ont évolué à partir de ce plan de construction qui restreignait auparavant la taille du cortex, et ils ont trouvé un moyen de devenir plus efficace sur le plan énergétique, de sorte que vous dépensez moins d’ATP par volume par rapport aux autres espèces”, déclare Harnett.
Il espère maintenant étudier où cette énergie supplémentaire pourrait aller et s’il existe des mutations génétiques spécifiques qui aident les neurones du cortex humain à atteindre cette efficacité élevée. Les chercheurs souhaitent également déterminer si les espèces de primates qui sont plus étroitement liées aux humains présentent des diminutions similaires de la densité des canaux ioniques.
La recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, une bourse des amis de l’Institut McGovern, l’Institut national des sciences médicales générales, le programme de boursiers Paul et Daisy Soros, le programme de bourses de neuroimagerie David Mahoney de la Fondation Dana, le National Institute of Institutes of Health, le programme conjoint de subventions de recherche Harvard-MIT en neurosciences fondamentales et Susan Haar.
D’autres auteurs du papier incluent Norma Brown, un associé technique de MIT ; Marissa Hansen, ancienne boursière post-baccalauréat ; Enrique Toloza, étudiant diplômé du MIT et de la Harvard Medical School ; Jitendra Sharma, chercheur au MIT ; Ziv Williams, professeur agrégé de neurochirurgie à la Harvard Medical School; Matthew Frosch, professeur agrégé de pathologie et de sciences et technologies de la santé à la Harvard Medical School; Garth Rees Cosgrove, directeur de l’épilepsie et de la neurochirurgie fonctionnelle au Brigham and Women’s Hospital; et Sydney Cash, professeur adjoint de neurologie à la Harvard Medical School et au Massachusetts General Hospital.
Republié avec la permission de Nouvelles du MIT. Lis le article original.
