Cartographie fonctionnelle du cerveau des mollusques guidée par la tomographie par rayons X de synchrotron

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Contexte académique

Le domaine des neurosciences s’efforce de comprendre comment les circuits neuronaux génèrent et contrôlent des comportements complexes. Bien que des organismes modèles simples (comme les mollusques, crustacés et annélides) aient fourni des modèles précieux grâce à leurs systèmes nerveux accessibles et leurs grands neurones caractéristiques, la compréhension des circuits neuronaux reste souvent limitée par l’absence de cartes cérébrales détaillées. En particulier pour les mollusques, bien que leur cerveau soit composé de neurones morphologiquement cohérents et fonctionnellement investigables, le nombre total de neurones dans leur système nerveux, ainsi que les principes d’organisation et les cartographies neuronales détaillées restent incertains. Ces lacunes limitent une étude systématique des fonctions des circuits neuronaux.

Pour résoudre ce problème, cette étude utilise la tomographie par rayons X synchrotron (Synchrotron X-ray Tomography, SXRT) pour effectuer une imagerie haute résolution du cerveau du modèle de mollusque Lymnaea stagnalis (un modèle classique de mollusque), construisant une carte 3D détaillée de son circuit alimentaire et utilisant cette carte pour guider l’identification et la caractérisation fonctionnelle de types de neurones clés. Cette recherche offre non seulement de nouvelles perspectives sur la compréhension des circuits neuronaux des mollusques, mais fournit également une méthode généralisable pour la construction d’atlas du système nerveux central (SNC) chez d’autres organismes modèles.

Source de l’article

Cette recherche a été réalisée par Michael Crossley, Anna Simon, Shashidhara Marathe, Christoph Rau, Arnd Roth, Vincenzo Marra et Kevin Staras, issus de l’Université de Sussex (Royaume-Uni), du University College London (Royaume-Uni) et du Diamond Light Source (installation nationale britannique de rayonnement synchrotron). L’article a été publié le 27 février 2025 dans PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), sous le titre “Functional mapping of the molluscan brain guided by synchrotron x-ray tomography”.

Processus de recherche

1. Imagerie par tomographie à rayons X synchrotron

L’équipe de recherche a d’abord isolé le cerveau entier de Lymnaea stagnalis adulte, puis l’a fixé dans une résine. Les échantillons ont ensuite été envoyés au Diamond Light Source où ils ont été scannés en utilisant la ligne de faisceau I13-2. Grâce à cette méthode, l’équipe a obtenu des piles d’images 3D de tout le SNC, avec une résolution suffisante pour montrer les corps cellulaires individuels et l’arrangement des principaux faisceaux nerveux.

2. Reconstruction 3D et annotation neuronale

Pour révéler la structure 3D du cerveau de Lymnaea, l’équipe a sélectionné un échantillon représentatif pour effectuer une segmentation d’images, annotant les 11 ganglions indépendants et leurs principaux faisceaux nerveux. Ensuite, l’équipe s’est concentrée sur les ganglions buccaux (buccal ganglia) qui hébergent le circuit alimentaire, en utilisant une technique de segmentation semi-automatique pour annoter les corps cellulaires, construisant ainsi un modèle 3D complet des ganglions buccaux. Grâce à cette annotation détaillée, l’équipe a pu estimer précisément le nombre total de neurones dans les ganglions buccaux, découvrant qu’ils contenaient 1 099 neurones, soit trois fois plus que les estimations précédentes.

3. Caractérisation fonctionnelle des neurones

Basée sur l’atlas 3D construit, l’équipe a procédé à la caractérisation fonctionnelle des neurones clés. À travers des enregistrements intracellulaires et des marquages avec des colorants fluorescents, l’équipe a identifié et caractérisé trois types de neurones clés : - Dine : un neurone de type commande situé à l’intérieur des ganglions buccaux, capable d’activer le centre de commande alimentaire dans le cerveau pour induire le comportement alimentaire. - N2M : un neurone bipolaire situé sur la face ventrale des ganglions buccaux, jouant un rôle crucial dans la génération du patron central (CPG) de l’alimentation, capable de réguler l’activité des motoneurones via un couplage électrique. - B12 : un motoneurone situé sur la face postérieure des ganglions buccaux, activé uniquement pendant le comportement d’ingestion et inhibé lors du comportement d’égestion.

4. Construction de l’atlas fonctionnel du SNC

L’équipe a utilisé les données d’imagerie SXRT et électrophysiologiques pour construire un atlas fonctionnel du SNC de Lymnaea, annotant la position, la morphologie et les propriétés fonctionnelles de 36 types de neurones clés du circuit alimentaire. Cet atlas offre une ressource extensible qui aide les chercheurs à identifier et enregistrer avec précision des types spécifiques de neurones.

Résultats principaux

  1. Nombre total de neurones et structure organisationnelle : L’étude a révélé que les ganglions buccaux contiennent 1 099 neurones, soit trois fois plus que les estimations précédentes. De plus, elle a mis en lumière la relation entre le volume des neurones et leur position dans les ganglions : les corps cellulaires plus grands tendent à être situés sur la surface dorsale des ganglions, tandis que les corps cellulaires plus petits sont situés à l’intérieur, avec une diminution progressive du volume en fonction de la profondeur.

  2. Fonction du neurone Dine : Le neurone Dine a été identifié comme un neurone de type commande, capable d’activer le centre de commande alimentaire dans le cerveau pour induire le comportement alimentaire. Il est étroitement lié aux entrées sensorielles et peut activer le circuit alimentaire lors de la détection de nourriture.

  3. Fonction du neurone N2M : Le neurone N2M joue un rôle crucial dans le CPG alimentaire, capable de réguler l’activité des motoneurones via un couplage électrique. L’étude a également révélé que la dépolarisation sous-seuil du neurone N2M est suffisante pour déclencher des potentiels d’action dans les motoneurones.

  4. Fonction du neurone B12 : Le neurone B12 n’est activé que pendant le comportement d’ingestion et inhibé pendant le comportement d’égestion. La découverte de ce motoneurone spécifique au comportement montre que certains types de neurones dans le circuit alimentaire sont recrutés différemment selon les comportements.

  5. Atlas fonctionnel du SNC : L’équipe a construit un atlas fonctionnel du SNC de Lymnaea, annotant la position, la morphologie et les propriétés fonctionnelles de 36 types de neurones clés du circuit alimentaire. Cet atlas fournit une ressource extensible qui aide les chercheurs à identifier et enregistrer avec précision des types spécifiques de neurones.

Conclusion et signification

Cette étude a réussi à construire une carte 3D du cerveau de Lymnaea stagnalis en utilisant la tomographie par rayons X synchrotron, identifiant et caractérisant trois types de neurones clés. Ces découvertes non seulement actualisent notre compréhension du fonctionnement du circuit alimentaire, mais offrent également une méthode généralisable pour la construction d’atlas du SNC chez d’autres organismes modèles. De plus, les principes organisationnels des neurones révélés par l’étude fournissent de nouvelles perspectives sur la compréhension de l’évolution de la conception cérébrale.

Points forts de la recherche

  1. Technologie d’imagerie innovante : L’étude applique pour la première fois la tomographie par rayons X synchrotron à l’imagerie 3D du cerveau des mollusques, offrant une nouvelle méthode pour la construction rapide d’atlas cellulaires de systèmes nerveux à grande échelle.
  2. Révision du nombre total de neurones : L’étude a révélé que les ganglions buccaux contiennent 1 099 neurones, soit trois fois plus que les estimations précédentes, indiquant que la complexité de ces structures était largement sous-estimée.
  3. Identification de neurones clés : L’étude a identifié et caractérisé trois types de neurones clés, y compris le neurone de type commande Dine, l’interneurone CPG N2M et le motoneurone spécifique au comportement B12, actualisant notre compréhension du circuit alimentaire.
  4. Construction de l’atlas fonctionnel du SNC : L’équipe a construit un atlas fonctionnel du SNC de Lymnaea, fournissant une ressource extensible qui aide les chercheurs à identifier et enregistrer avec précision des types spécifiques de neurones.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également développé un système de partage d’images basé sur la plateforme WebKnossos, permettant aux chercheurs de parcourir et annoter rapidement les piles d’images 3D, favorisant ainsi le partage et la comparaison des atlas cérébraux. De plus, les principes organisationnels des neurones révélés par l’étude fournissent de nouvelles perspectives sur la compréhension de l’évolution de la conception cérébrale, suggérant que la relation entre le volume des neurones et leur position dans les ganglions pourrait présenter des avantages opérationnels, minimisant la longueur des connexions et le volume cérébral.