Des chercheurs du MIT ont étudié un seul neurone chez le ver C. elegans et ont découvert son rôle dans la régulation de multiples comportements. Ce neurone utilise divers neurotransmetteurs et peut « emprunter » de la sérotonine, ce qui pourrait fournir des informations sur les traitements psychiatriques dans des organismes plus complexes.
Une étude révèle que chez les vers, le neurone HSN utilise plusieurs produits chimiques et connexions pour orchestrer la ponte et la locomotion sur plusieurs minutes.
Un nouveau MIT Une étude portant sur une seule cellule de l’un des systèmes nerveux les plus simples de la nature fournit une illustration approfondie de la façon dont les neurones individuels peuvent utiliser plusieurs moyens pour piloter des comportements complexes.
Dans le C. elegans ver, qui ne possède que 302 cellules nerveuses, le neurone HSN libère plusieurs produits chimiques et établit de multiples connexions sur toute sa longueur pour non seulement contrôler la ponte instantanée et la locomotion de l’animal, mais également pour ralentir ensuite le ver pendant plusieurs minutes après la ponte des œufs. . Pour contrôler cette dernière phase du comportement, HSN transfère le neurotransmetteur sérotonine à un autre neurone, qui le libère pour influencer le comportement quelques minutes plus tard.
« Nos résultats révèlent comment un seul neurone peut influencer un large éventail de comportements sur plusieurs échelles de temps et montrent que les neurones peuvent ’emprunter’ de la sérotonine les uns aux autres pour contrôler le comportement », rapportent les chercheurs dans Biologie actuelle.
L’auteur principal de l’étude est Steven Flavell, professeur agrégé à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire et au Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives. Le postdoc Yung-Chi Huang est le premier auteur de l’étude.
Chez un ver C. elegans, le neurone HSN joue un rôle essentiel dans la direction de plusieurs comportements coordonnés. Cette image marque HSN en vert, montrant son extension jusqu’à la tête du ver (marquée en rouge). Crédit : Laboratoire Flavell/Institut Picower
Un neurone occupé
Avant le début de l’étude, les connexions de HSN avec d’autres neurones avaient déjà été cartographiées (C. elegans est le seul animal où le connectome complet entre les neurones est connu), et il a également été associé à la ponte. Le laboratoire de Flavell, quant à lui, a observé que lorsque les vers pondent des œufs, ils traversent des parcelles de nourriture à toute vitesse, un peu comme un agriculteur conduirait un tracteur pour disperser les graines dans un sol fertile. De plus, les scientifiques ont observé que lorsque HSN est éliminé, les vers ne s’engagent pas dans un comportement alimentaire caractéristique consistant à ralentir pour manger des parcelles de nourriture.
Mais comment ce neurone unique avait ces effets apparemment paradoxaux sur le comportement (ponte, accélération pour ce faire, et ralentissement après) restait un mystère. L’équipe de Flavell et Huang a utilisé une grande variété de techniques et d’expériences pour découvrir comment HSN accomplit ses nombreuses tâches.
Pour établir que HSN joue effectivement un rôle causal dans le contrôle de ces comportements, ils ont manipulé l’activité des neurones en utilisant l’optogénétique, une technique dans laquelle les cellules sont génétiquement modifiées pour être contrôlées par des éclairs de lumière. En plus de confirmer le rôle clé de HSN dans la ponte, ces expériences et d’autres manipulations génétiques ont également confirmé que HSN provoque une accélération du ver puis, après une période d’errance et de ponte, un ralentissement pendant plusieurs minutes. Le laboratoire a également suivi l’activité électrique du HSN au cours de ces comportements (en suivant le flux d’ions calcium dans la cellule lorsque les animaux se déplaçaient librement) et a constaté que des modèles spécifiques d’activité cellulaire étaient associés à la ponte et à la locomotion.
De nombreux moyens moléculaires
Après avoir établi que le HSN est à l’origine des trois comportements associés, le laboratoire s’est ensuite concentré sur la manière dont il y parvenait.
HSN est connu pour libérer une grande variété de neurotransmetteurs chimiques, notamment la sérotonine, l’acétylcholine et de nombreux peptides. Sa libération de sérotonine et d’un neuropeptide appelé NLP-3 est connue pour stimuler la ponte. Pour déterminer comment le neurone entraîne une locomotion rapide, l’équipe a systématiquement éliminé chaque neurotransmetteur HSN, puis a stimulé HSN pour voir si les vers pouvaient encore accélérer lorsque HSN ne pouvait pas produire l’un ou l’autre produit chimique. Les expériences ont révélé que HSN entraîne une locomotion accrue via la libération de deux neuropeptides, appelés FLP-2 et FLP-28.
Entre-temps, l’élimination de la sérotonine dans HSN a désactivé le comportement de ralentissement du ver. D’autres expériences ont montré comment. L’équipe de Flavell a déjà étudié le neurone NSM, montrant qu’il utilise la sérotonine lorsqu’un ver se nourrit pour inhiber les circuits moteurs et ralentir le ver pendant le repas. Dans cette étude, l’équipe a montré que l’action du NSM dépendait d’un apport de sérotonine provenant de HSN. Lorsque HSN ne pouvait pas produire de sérotonine, par exemple, NSM ne pouvait pas non plus ralentir les vers. L’équipe a en outre montré que NSM utilise le transporteur de sérotonine SERT (appelé MOD-5 en C. elegans) pour capter la sérotonine de HSN et la relibérer. Cela a montré que les neurones sérotoninergiques peuvent mettre en commun et partager la sérotonine entre eux, avec un impact direct sur le comportement de l’animal, explique Flavell.
Analyse anatomique
En ce qui concerne l’anatomie de HSN, l’équipe a découvert que le contrôle de la locomotion et le contrôle de la ponte se produisaient le long de différents points de l’axone de HSN. Le corps cellulaire de HSN se trouve au milieu du corps de l’animal. Il forme des synapses avec le circuit de ponte dans le milieu du corps, puis son axone se projette vers la tête pour créer des synapses avec d’autres neurones. Couper l’axone de HSN entre le milieu du corps et la tête n’a pas perturbé la ponte de l’animal, mais a empêché la coordination de la ponte et de la locomotion, ce qui suggère que la projection de HSN vers la tête coordonne l’action de HSN sur le circuit de ponte avec son action sur le circuit de ponte. circuit de locomotion.
Au total, l’étude a montré comment HSN utilise de nombreuses sorties parallèles de neurotransmetteurs de différentes manières pour contrôler le comportement de l’animal.
« Nos résultats illustrent comment la morphologie cellulaire, les systèmes de transmission multiples et les modes de transmission non canoniques comme » l’emprunt « de neurotransmetteurs confèrent à un seul neurone la capacité d’orchestrer plusieurs caractéristiques d’un programme comportemental », ont écrit les auteurs.
Parallèlement, la découverte selon laquelle les neurones peuvent absorber et relibérer la sérotonine produite par d’autres neurones pour contrôler le comportement révèle une nouvelle caractéristique de la signalisation de la sérotonine qui pourrait avoir d’importantes implications médicales, explique Flavell. La molécule qui capte la sérotonine, SERT/MOD-5, est la cible des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine (ISRS) comme le Prozac. Cette étude soulève la possibilité que les ISRS puissent influencer la façon dont les neurones partagent la sérotonine entre eux, ce qui pourrait être pertinent pour leur mode d’action dans le traitement d’une grande variété de troubles psychiatriques.
Outre Huang et Flavell, les autres auteurs du journal sont Jinyue Luo, Wenjia Huang, Casey Baker, Matthew Gomes, Bohan Meng et Alexandra Byrne.
Le Instituts nationaux de la santéla National Science Foundation, la McKnight Foundation, la Fondation Alfred P. Sloan, le Picower Institute et la Fondation JPB ont contribué au financement de l’étude.
