Les chercheurs découvrent la règle fondamentale de la plasticité cérébrale

La plasticité neuronale, neuroplasticité ou encore plasticité cérébrale sont des termes génériques qui décrivent les mécanismes par lesquels le cerveau est capable de se modifier lors des processus de neurogenèse dès la phase embryonnaire ou lors d'apprentissages. Les cerveaux sont connus pour être flexibles, ou «plastiques», parce que les neurones peuvent faire de nouvelles choses en forgeant des liens nouveaux ou plus forts avec d'autres neurones. Mais si certains liens se renforcent, les neuroscientifiques ont raisonné, les neurones doivent compenser de peur d'être submergés d'intrants. Dans une nouvelle étude publiée dans Science, les chercheurs du Picower Institute au MIT démontrent pour la première fois comment cet équilibre est atteint. En effet,  quand une connexion, appelée synapse, se renforce, les synapses immédiatement voisines s'affaiblissent en fonction de l'action protéine appelée Arc.

Les chercheurs mentionnent que les comportements collectifs des systèmes complexes ont toujours des règles simples. Quand une synapse augmente, dans 50 micromètres il y a une diminution de la force des autres synapses en utilisant un mécanisme moléculaire bien défini. Or, comme le mentionnent les chercheurs, bien que la règle qu'ils ont trouvée était simple, les expériences qui l'ont révélé ne l'étaient pas. 

Les chercheurs invoqué la plasticité en changeant le «champ réceptif» d'un neurone, ou le champ du champ visuel auquel il répond. Les neurones reçoivent une contribution par l'intermédiaire de synapses sur les petites épines de leurs dendrites ramifiées. Pour changer le champ réceptif d'un neurone, les chercheurs ont identifié la colonne vertébrale exacte du dendrite du neurone, puis ont surveillé de près les changements de ses synapses en montrant à la souris une cible à un endroit particulier sur un écran différent du récepteur original. champ. Chaque fois que la cible était dans la nouvelle position de champ réceptif qu'ils voulaient induire, ils renforçaient la réponse du neurone en faisant clignoter une lumière bleue à l'intérieur du cortex visuel de la souris, provoquant une activité supplémentaire comme un autre neurone. Le neurone avait été génétiquement modifié pour être activé par des éclairs lumineux, une technique appelée «optogénétique».

Parce que la stimulation de la lumière corrélait avec chaque apparition de la cible dans la nouvelle position dans la vision de la souris, cela a causé le neurone à renforcer une synapse particulière sur la colonne vertébrale, codant le nouveau champ réceptif. Au fur et à mesure que la synapse pour le nouveau champ réceptif a augmenté, les chercheurs ont pu voir, sous le microscope à deux photons, que les synapses proches se rétrécissaient également. Ils n'ont pas observé ces changements dans les neurones de contrôle expérimental qui n'avaient pas la stimulation optogénétique.

Mais ensuite ils sont allés plus loin pour confirmer leurs conclusions. Selon ces derniers, parce que les synapses sont si minuscules, ils sont proches de la limite de la résolution de la microscopie optique. Les chercheurs ont également analysé les tissus cérébraux contenant les dendrites des neurones manipulés et contrôlés. Ils ont réalisé une imagerie spécialisée, à plus haute résolution, en microscopie électronique à trois dimensions, confirmant que les différences structurelles observées sous le microscope à deux photons étaient valides.

Comme le précisent les chercheurs, la reprogrammation du neurone génétiquement modifié d'une souris avec des éclairs de lumière est une manipulation artificielle, ces derniers ont donc fait une expérience plus classique de «privation monoculaire» dans laquelle elle a temporairement fermé un œil de souris. Lorsque cela se produit, les synapses des neurones liés à l'œil fermé s'affaiblissent et les synapses liées à l'œil encore ouvert se renforcent. Puis, quand ils ont rouvert l'œil précédemment fermé, les synapses se réarrangent à nouveau. Ils ont également suivi cette action et ont vu que lorsque les synapses se renforcent, leurs voisins immédiats s'affaiblissent pour compenser.

Pour comprendre comment les neurones lui obéissent, les chercheurs ont utilisé une étiquette chimique pour voir comment les récepteurs «AMPA» clés ont changé dans les synapses et ont constaté que l'élargissement synaptique et le renforcement étaient corrélés avec une plus grande expression du récepteur AMPA tout en rétrécissant et en affaiblissant.

La protéine Arc régule l'expression du récepteur AMPA, de sorte que les chercheurs ont réalisé qu'elle devait suivre Arc pour bien comprendre ce qui se passait. Comme le résument les chercheurs,
renforcer les synapses augmente l'Arc pour affaiblir leurs voisins.