Les étonnantes capacités d’auto-organisation du cerveau

Une équipe de chercheurs de Tübingen et d’Israël découvre comment les structures cérébrales peuvent maintenir une fonction et une dynamique stable, même dans des conditions inhabituelles. Leurs résultats pourraient jeter les bases d’une meilleure compréhension et d’un meilleur traitement de maladies comme l’épilepsie et l’autisme.

Les neurones de notre cerveau sont connectés les uns aux autres, formant de petites unités fonctionnelles appelées circuits neuronaux. Un neurone connecté à un autre via une synapsis peut transmettre des informations au deuxième neurone en envoyant un signal. Ceci, à son tour, pourrait inciter le deuxième neurone à transmettre un signal à d’autres neurones du circuit neuronal. Si cela se produit, le premier neurone est probablement un neurone excitateur: un neurone qui incite d’autres neurones à se déclencher. Mais les neurones avec la tâche exactement opposée sont tout aussi importants pour la fonctionnalité de notre cerveau: les neurones inhibiteurs, ce qui rend moins probable que les neurones auxquels ils sont connectés envoient un signal aux autres.

L’interaction de l’excitation et de l’inhibition est cruciale pour la fonctionnalité normale des réseaux neuronaux. Sa dérégulation a été liée à de nombreux troubles neurologiques et psychiatriques, notamment l’épilepsie, la maladie d’Alzheimer et les troubles du spectre autistique.

À partir de cultures cellulaires en laboratoire …

Fait intéressant, la part des neurones inhibiteurs parmi tous les neurones dans diverses structures cérébrales (comme le néocortex ou l’hippocampe) reste fixe tout au long de la vie d’un individu entre 15 et 30%. «Cela a suscité notre curiosité: quelle est l’importance de cette proportion particulière?», Se souvient Anna Levina, chercheuse à l’Université de Tübingen et à l’Institut Max Planck de cybernétique biologique. « Les circuits neuronaux avec une proportion différente de neurones excitateurs et inhibiteurs peuvent-ils encore fonctionner normalement? » Ses collaborateurs de l’Institut Weizmann des Sciences de Rehovot (Israël) ont conçu une nouvelle expérience qui permettrait de répondre à ces questions. Ils ont cultivé des cultures qui contenaient des rapports différents, voire extrêmes, de neurones excitateurs et inhibiteurs.

Les scientifiques ont ensuite mesuré l’activité de ces tissus cérébraux artificiellement conçus. «Nous avons été surpris que des réseaux avec différents ratios de neurones excitateurs et inhibiteurs restent actifs, même lorsque ces ratios étaient très éloignés des conditions naturelles», explique Oleg Vinogradov, doctorant de Levina. « Leur activité ne change pas de façon spectaculaire, tant que la part des neurones inhibiteurs reste quelque part dans la gamme de 10 à 90 pour cent. » Il semble que les structures neurales ont un moyen de compenser leur composition inhabituelle pour rester stables et fonctionnelles.

… à une compréhension théorique

Alors naturellement, les chercheurs ont posé la question suivante: quel mécanisme permet au tissu cérébral de s’adapter à ces différentes conditions? Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les réseaux s’adaptent en ajustant le nombre de connexions: s’il y a peu de neurones inhibiteurs, ils doivent jouer un rôle plus important en construisant plus de synapses avec les autres neurones. A l’inverse, si la part des neurones inhibiteurs est importante, les neurones excitateurs doivent compenser cela en établissant plus de connexions.

Le modèle théorique des scientifiques de Tübingen peut expliquer les résultats expérimentaux de leurs collègues de Rehovot et découvrir les mécanismes contribuant à maintenir une dynamique stable dans le cerveau. Les résultats fournissent une image plus claire de la façon dont l’équilibre excitation / inhibition est préservé et où il échoue dans les réseaux neuronaux vivants. À plus long terme, ils pourraient être utiles pour le domaine émergent de la médecine de précision: des cultures neuronales induites pluripotentes dérivées de cellules souches pourraient être utilisées pour trouver des mécanismes de troubles neuropsychiatriques et de nouveaux médicaments.