SynapShot dévoilé : observer les processus de mémoire et de cognition en temps réel

SynapShot, développé par une équipe de recherche internationale, marque une avancée majeure dans les neurosciences en permettant l’observation en temps réel et en direct des changements synaptiques dans le cerveau.

Le cerveau humain contient environ 86 milliards de neurones et 600 000 milliards de synapses qui échangent des signaux entre les neurones pour nous aider à contrôler les diverses fonctions du cerveau, notamment la cognition, les émotions et la mémoire. Il est intéressant de noter que le nombre de synapses diminue avec l’âge ou à la suite de maladies comme Alzheimer, et la recherche sur les synapses attire donc beaucoup d’attention. Cependant, il existe des limites à l’observation de la dynamique de synapse structures en temps réel.

Figure 1. Pour observer les synapses changeantes de manière dynamique, la protéine fluorescente dépendante de la dimérisation (ddFP) a été exprimée pour observer les signaux fluorescents lors de la formation des synapses, car la ddFP permet la détection de la fluorescence grâce à une liaison réversible aux terminaisons pré- et post-synaptiques. Crédit : Laboratoire d’optogénétique et de thérapie ARN KAIST

Percée dans l’observation synapse

Le 8 janvier, une équipe de recherche commune dirigée par le professeur Won Do Heo du KAIST Le département des sciences biologiques, le professeur Hyung-Bae Kwon de la faculté de médecine Johns Hopkins et le professeur Sangkyu Lee de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) ont révélé qu’ils avaient développé la première technique au monde permettant d’observer en temps réel la formation et l’extinction des synapses. , et des modifications.

L’équipe du professeur Heo a conjugué des protéines fluorescentes dépendantes de la dimérisation (ddFP) aux synapses afin d’observer le processus par lequel les synapses créent des connexions entre les neurones en temps réel. L’équipe a nommé cette technique SynapShot, en combinant les mots « synapse » et « instantané », et a suivi et observé avec succès les processus de formation et d’extinction en direct des synapses ainsi que leurs changements dynamiques.

Figure 2. Photos microscopiques observées à travers les changements de fluorescence du capteur synapse (SynapShot) en cultivant les neurones d’un rat expérimental et en exprimant le SynapShot. Les changements dans la synapse qui se créent lorsque les terminaisons pré- et post-synaptiques entrent en contact et la synapse qui disparaît après un certain temps sont mesurés par la fluorescence du SynapShot. Crédit : Laboratoire d’optogénétique et de thérapie ARN KAIST

Améliorations et applications de SynapShot

Grâce à un projet de recherche commun, les équipes dirigées par le professeur Heo et le professeur Sangkyu Lee de l’IBS ont conçu ensemble un SynapShot à fluorescence verte et rouge et ont pu distinguer facilement la synapse reliant deux neurones différents. De plus, en combinant une technique optogénétique capable de contrôler la fonction d’une molécule grâce à la lumière, l’équipe a pu observer les changements dans les synapses tout en induisant simultanément certaines fonctions des neurones grâce à la lumière.

Figure 3. Utilisation simultanée de green-SynapShot et red-SynapShot pour distinguer et observer les synapses avec un post-terminal et différents pré-terminaux. Crédit : Laboratoire d’optogénétique et de thérapie ARN KAIST

Grâce à des recherches plus conjointes avec l’équipe dirigée par le professeur Hyung-Bae Kwon de la faculté de médecine Johns Hopkins, l’équipe du professeur Heo a induit plusieurs situations sur des souris vivantes, notamment l’entraînement à la discrimination visuelle, l’exercice et l’anesthésie, et a utilisé SynapShot pour observer les changements dans les synapses lors de chaque situation en temps réel. Les observations ont révélé que chaque synapse pouvait changer assez rapidement et de manière dynamique. C’était le tout premier cas dans lequel des modifications des synapses étaient observées chez un mammifère vivant.

Figure 4. La protéine fluorescente dépendante des dimères (ddFP) existe sous forme de protéine fluorescente verte ainsi que de protéine fluorescente rouge, et peut être appliquée avec la technologie optogénétique activée par la lumière bleue. Après avoir activé le récepteur kinase B de la tropomyosine (TrkB) par la lumière bleue à l’aide de la technologie optogénétique, le renforcement des connexions synaptiques grâce aux signaux du facteur neurotrophique dérivé du cerveau est observé à l’aide de red-SynapShot. Crédit : Laboratoire d’optogénétique et de thérapie ARN KAIST

Conclusion et perspectives d’avenir

Le professeur Heo a déclaré : « Notre groupe a développé SynapShot grâce à une collaboration avec des équipes de recherche nationales et internationales, et a ouvert la possibilité d’observer en direct de première main les changements rapides et dynamiques des synapses, ce qui était auparavant difficile à réaliser. Nous espérons que cette technique révolutionnera la méthodologie de recherche dans le domaine neurologique et jouera un rôle important pour éclairer l’avenir de la science du cerveau.

Figure 5. Micrographies montrant des synapses changeantes en temps réel dans le cortex visuel de souris entraînées grâce à un entraînement visuel utilisant des techniques d’imagerie in vivo telles que la microscopie à deux photons ainsi qu’au niveau cellulaire. Crédit : Laboratoire d’optogénétique et de thérapie ARN KAIST

Cette recherche, menée par les co-premiers auteurs Seungkyu Son (candidat au doctorat), Jinsu Lee (candidat au doctorat) et le Dr Kanghoon Jung de Johns Hopkins, a été publiée dans l’édition en ligne de Méthodes naturelles le 8 janvier sous le titre « Visualisation en temps réel de la dynamique structurelle des synapses dans les cellules vivantes in vivo », et sera imprimé dans le volume de février.

Cette recherche a été soutenue par des fonds de recherche de taille moyenne et le projet Singularity du KAIST, ainsi que par l’IBS.