Les chercheurs ont créé une carte cellulaire révolutionnaire du cerveau d’un mammifère, détaillant plus de 5 300 types de cellules dans le cerveau d’une souris adulte. Cet atlas, issu de recherches approfondies, constitue une étape importante dans la compréhension du fonctionnement et de l’évolution du cerveau et est prometteur pour des traitements précis des troubles cérébraux. Crédit : Issues.fr.com
Un atlas haute résolution retrace les quartiers neuronaux de plus de 5 300 types de cellules.
Six ans et 32 millions de cellules plus tard, les scientifiques ont créé la première carte cellulaire complète du cerveau d’un mammifère. Dans un ensemble de 10 articles en Nature aujourd’hui, un réseau de chercheurs a dévoilé un atlas répertoriant l’emplacement et le type de chaque cellule du cerveau de la souris adulte. Grâce à des technologies avancées qui profilent les cellules individuelles, les équipes ont identifié plus de 5 300 types de cellules – bien plus que ce qui était connu auparavant – et ont localisé leur emplacement dans la géographie complexe du cerveau.
Dévoiler l’architecture complexe du cerveau
Disposer d’une « liste de pièces » complète du cerveau contribuera à accélérer les efforts visant à comprendre son fonctionnement, a déclaré Hongkui Zeng, Ph.D., vice-président exécutif et directeur de l’Allen Institute for Brain Science.
« Il s’agit d’une réalisation historique qui ouvre réellement la porte à la prochaine étape des recherches sur la fonction, le développement et l’évolution du cerveau, semblables aux génomes de référence pour étudier la fonction des gènes et l’évolution génomique », a déclaré Zeng, qui a dirigé l’une des études. « Mes collègues ont dit que les 5 000 types de cellules que nous avons identifiés occuperont les neuroscientifiques pendant les 20 prochaines années, essayant de comprendre ce que font ces types de cellules et comment ils évoluent en cas de maladie. »
Classification et distribution détaillées des types de cellules dans l’ensemble du cerveau de la souris en fonction de l’expression de leurs gènes. Plus de 5 000 types de cellules ont été identifiés et peuvent être regroupés en fonction de leur similitude. Chacun des groupes a été tracé sous forme d’UMAP pour mettre en évidence les relations entre les types de cellules dans des groupes spécifiques et chaque groupe peut être attribué à un emplacement anatomique spécifique. Crédit : Institut Allen
L’ouvrage collectif constitue la pierre angulaire du Instituts nationaux de la santéRéseau de recensement cellulaire de l’initiative BRAIN, ou BICCN. Des centaines de chercheurs ont contribué au projet, financé par le NIH La recherche sur le cerveau grâce à l’innovation Neurotechnologies® (BRAIN) Initiative, ou The BRAIN Initiative®.
« Là où nous nous trouvions auparavant dans l’obscurité, cette réalisation marquante éclaire une lumière vive, donnant aux chercheurs un accès à l’emplacement, à la fonction et aux voies entre les types de cellules et les groupes de cellules d’une manière que nous ne pouvions pas imaginer auparavant », a déclaré John Ngai, Ph. D., directeur de l’Initiative NIH BRAIN. « Ce produit témoigne de la puissance de cette collaboration transversale sans précédent et ouvre la voie à des traitements cérébraux plus précis. »
Relier la génétique à la géographie du cerveau
En combinant une seule cellule ARN le séquençage avec la transcriptomique spatiale (méthodes permettant de déterminer quels gènes sont exprimés dans des cellules individuelles et où se trouvent ces cellules) Zeng et ses collaborateurs ont révélé l’étonnante complexité et diversité du cerveau.
L’une des révélations majeures de l’atlas est le lien profond entre l’identité génétique d’une cellule et sa position spatiale, a déclaré Zeng. Cette relation souligne le fonctionnement des formes de localisation, offrant des indices sur l’histoire évolutive et les interactions complexes de différentes régions du cerveau.
« Nous voyons les éléments constitutifs des circuits cérébraux », a-t-elle déclaré. « L’organisation du cerveau reflète probablement son histoire évolutive. »
Une découverte intrigante est l’organisation cellulaire distincte entre les parties inférieures (« ventrales ») et supérieures (« dorsales ») du cerveau. Alors que l’ancienne partie ventrale présente une mosaïque de cellules interdépendantes, la partie dorsale la plus récente contient moins de types cellulaires mais très divergents. Cette distinction pourrait être une clé pour comprendre comment différentes régions du cerveau ont développé des rôles uniques, par exemple la partie ventrale pour la survie de base et la partie dorsale pour l’adaptation, a déclaré Zeng.
Percer les secrets de la communication cellulaire
Les chercheurs ont également découvert que les facteurs de transcription – des protéines qui régulent l’activité des gènes – comprennent un « code » qui spécifie l’identité d’une cellule.
L’atlas a également révélé comment les cellules du cerveau communiquent entre elles via un ensemble diversifié de molécules de signalisation, qui transmettent des messages de cellule à cellule. Cette diversité permet des interactions complexes entre différents types de cellules.
Le fort alignement des ensembles de données génomiques, épigénomiques et spatiales collectées indépendamment garantit que cet atlas cartographie bien plus que de simples identités cellulaires : il capture les véritables schémas organisationnels sous-jacents au développement du cerveau des mammifères, a déclaré Zeng.
La voie à suivre : applications et extensions
À l’avenir, l’atlas peut servir de modèle pour des cartographies similaires dans le cerveau d’autres espèces– à savoir le nôtre. Ce travail est déjà en cours.
Il fournit également un guide pour cibler génétiquement des types de cellules spécifiques, permettant ainsi aux outils d’étudier des fonctions et des maladies spécifiques. Cela pourrait ouvrir la voie à des traitements de précision, a déclaré Zeng.
« Nous savons que de nombreuses maladies proviennent de parties spécifiques du cerveau et probablement de types de cellules spécifiques », a-t-elle déclaré. « Avec cette carte en main, nous pouvons acquérir une vision plus précise du dysfonctionnement de la maladie, puis créer des outils génétiques ou pharmacologiques pour cibler ces types de cellules spécifiques, afin d’obtenir une plus grande efficacité et des effets secondaires minimes. »
Contributions à la recherche sur la moelle épinière
Les scientifiques de l’Allen Institute ont également codirigé une étude visant à créer une carte détaillée des neurones qui relient le cerveau à la moelle épinière, permettant le mouvement et la modulation sensorielle. Dans cette étude, une équipe dirigée par Zhigang He, Ph.D., et Carla Winter, MD, Ph.D., de Harvard, fournit à ce jour la caractérisation la plus approfondie de ces neurones à projection spinale (SPN). En intégrant les identités moléculaires et les emplacements de ces neurones dans un seul atlas, les scientifiques obtiennent un aperçu de la manière dont ce réseau complexe contrôle le fonctionnement et le mouvement. « Et en disposant d’une carte de base de ces types de cellules, nous pouvons désormais étudier comment les lésions médullaires ou les accidents vasculaires cérébraux les modifient et, espérons-le, développer des thérapies ciblées », a déclaré Winter.
Les scientifiques de l’Allen Institute ont contribué à cinq autres études, notamment :
- Un atlas spatial des types de cellules dans tout le cerveau de la souris. Dans cette étude, dirigée par Xiaowei Zhuang, Ph.D., de Harvard, les scientifiques ont utilisé le profilage transcriptomique résolu spatialement de plus de 1 100 gènes pour révéler l’organisation spatiale de plus de 5 000 groupes distincts sur le plan transcriptionnel dans l’ensemble du cerveau de la souris. L’enregistrement de l’atlas cellulaire au cadre de coordonnées commun Allen permet de quantifier la composition et l’organisation des types cellulaires dans chaque région du cerveau. La carte spatiale à haute résolution révèle les interactions cellule-cellule et les fondements moléculaires entre des centaines de paires de types cellulaires.
- Une comparaison des programmes de régulation génétique de différentes espèces, y compris les humains. Dans cette étude, les chercheurs ont analysé certaines régions de ADN qui agissent comme des interrupteurs, activant ou désactivant les gènes et contrôlant l’identité d’une cellule. L’équipe a découvert que les gènes dits sauteurs – des séquences d’ADN qui peuvent flotter dans le génome – constituent la majeure partie des « commutateurs » spécifiques à l’homme dans le néocortex. Comme ces mêmes régions peuvent également être impliquées dans les maladies neurodégénératives, des études plus approfondies pourraient ouvrir la voie à de nouvelles thérapies, affirment les auteurs. « Ces données sont une mine d’or pour les généticiens qui peuvent désormais commencer à découvrir la base moléculaire de traits complexes comme la schizophrénie », a déclaré Bing Ren, Ph.D., de l’UCSD, qui a co-dirigé l’étude avec Joseph Ecker de l’Institut Salk. doctorat
