Régulation de l’effet excitateur des ultrasons pulsés de faible intensité (LIPUS) sur les neurones hippocampiques cultivés par les canaux calciques de type L

Contexte

Ces dernières années, la stimulation par ultrasons a été largement utilisée comme technique non invasive pour réguler l’activité neuronale in vivo et in vitro. Cependant, les mécanismes potentiels des effets neuromodulateurs induits par les ultrasons pulsés de faible intensité (LIPUS) restent mal compris. Cette étude vise à élucider ces mécanismes en examinant les effets excitateurs des LIPUS sur l’activité spontanée et l’homéostasie du calcium intracellulaire (Ca2+) dans les neurones hippocampiques. L’étude a révélé que les LIPUS augmentent la concentration intracellulaire de Ca2+ en favorisant les canaux calciques de type L (LTCCs), activant ainsi des voies de signalisation dépendantes du Ca2+ telles que la voie CaMKII-CREB, qui régule à son tour la transcription génique et l’expression protéique.

Source de l’étude

Cet article a été rédigé par l’équipe de recherche de Fan Wen-Yong et al., avec des auteurs provenant du Département de Physiologie et Neurosciences de l’École des Sciences de la Vie de l’Université Fudan, de l’Institut d’Acoustique du Département de Physique de l’Université Tongji, de l’Hôpital du Peuple de la Province du Zhejiang, et d’autres institutions. L’article a été publié en ligne dans Neuroscience Bulletin en mars 2024.

Processus de recherche

1. Configuration expérimentale

L’équipe de recherche a mis en place un dispositif de stimulation LIPUS, combiné à l’enregistrement de patch-clamp en configuration cellule entière et à l’imagerie Ca2+ pour stimuler et observer les neurones hippocampiques cultivés. Les LIPUS ont été utilisés à une fréquence de 1 MHz, avec une fréquence de répétition des impulsions de 0,3 Hz et un cycle de travail de 10%. Les expériences comprenaient des expériences électrophysiologiques, d’imagerie Ca2+ et d’expression protéique et d’ARNm, impliquant des transducteurs piézoélectriques de différentes tailles (16 mm et 25 mm).

2. Culture des neurones hippocampiques

L’expérience a utilisé des neurones hippocampiques de rats Sprague Dawley nouveau-nés âgés de 1 à 2 jours, isolés et cultivés. Le milieu de culture était du Neurobasal A, supplémenté avec 1% de B27, 1% de glutamine et 1% de pénicilline-streptomycine.

3. Imagerie Ca2+

Les cellules ont été surveillées pour les changements en temps réel de la concentration intracellulaire de Ca2+ en utilisant la sonde Ca2+ Fura-2-AM. Les expériences ont montré que la stimulation LIPUS peut augmenter significativement la concentration intracellulaire de Ca2+, principalement par influx de Ca2+ extracellulaire plutôt que par libération de Ca2+ stocké.

4. Expériences électrophysiologiques

Les LIPUS ont significativement augmenté la fréquence et l’amplitude des potentiels d’action spontanés (sAP) et des courants synaptiques excitateurs spontanés (sEPSC) dans les neurones hippocampiques. Ces phénomènes ont persisté pendant plus de 10 minutes, indiquant que les LIPUS ont un fort effet excitateur sur les neurones à court terme.

5. Expression des protéines et de l’ARNm

À travers des expériences de Western blot et de PCR, l’impact des LIPUS sur les voies de signalisation dépendantes du Ca2+ (telles que CaMKIIα et CREB) a été analysé. Les résultats ont montré que les LIPUS ont augmenté la CaMKIIα phosphorylée et la translocation nucléaire de CREB, tandis que l’expression des protéines et de l’ARNm de CaV1.2 et CaV1.3 n’a pas changé significativement en 24 heures.

Résultats de la recherche

1. Stimulation de l’activité neuronale spontanée par les LIPUS

La stimulation LIPUS a significativement augmenté la fréquence et l’amplitude des potentiels d’action spontanés et des courants synaptiques excitateurs spontanés dans les neurones hippocampiques. Le mécanisme pourrait être lié à une transmission de signal renforcée entre les connexions synaptiques, indiquant que les ultrasons peuvent améliorer la connectivité entre les neurones.

2. Médiation de l’influx d’ions calcium via les LTCCs

Les LIPUS augmentent la concentration intracellulaire de Ca2+ via les LTCCs et modifient significativement les caractéristiques électrophysiologiques des LTCCs, y compris l’hyperpolarisation du potentiel d’activation et la dépolarisation du potentiel d’inactivation. Ces changements suggèrent que les LIPUS augmentent l’excitabilité des neurones via ces canaux.

3. Activation des voies de signalisation dépendantes du calcium

L’influx accru de Ca2+ via les LTCCs induit par les LIPUS a activé la voie CaMKII-CREB. Les expériences in vitro ont confirmé que les LIPUS ont augmenté la CaMKIIα phosphorylée et, par la translocation nucléaire de CREB, ont maintenu les neurones à un niveau d’excitation élevé pendant une période prolongée.

4. Effets à long terme des LIPUS sur les LTCCs

Bien que les LIPUS aient significativement modifié la fonction des canaux calciques, ils n’ont pas eu d’effet significatif sur l’expression de l’ARNm et des protéines des LTCCs dans les 24 heures. Cela suggère que les LIPUS réalisent principalement l’excitation neuronale en régulant l’activité des canaux plutôt que leur quantité.

Conclusion

Cette étude révèle pour la première fois le mécanisme par lequel les ultrasons pulsés de faible intensité régulent l’influx de Ca2+ intracellulaire dans les neurones hippocampiques via les LTCCs, activant ainsi la voie de signalisation CaMKII-CREB. Cette découverte a une valeur importante pour l’application de la technologie des ultrasons dans la neuromodulation et ses applications cliniques.

Points forts de la recherche

Les points forts de cette étude résident dans la révélation du mécanisme spécifique par lequel les LIPUS augmentent l’influx de Ca2+ intracellulaire via les LTCCs dans les neurones, et la démonstration pour la première fois de l’effet activateur des LIPUS sur la voie de signalisation CaMKII-CREB. Cette étude fournit une base théorique et des données expérimentales pour les futures applications de la technologie des ultrasons dans la neuromodulation.

Signification et valeur

En tant que technique non invasive, le potentiel des LIPUS dans la recherche en neurosciences et les applications cliniques continue d’émerger. Cette étude contribue non seulement à la compréhension des mécanismes spécifiques de la régulation neuronale par les ultrasons, mais fournit également une base théorique pour le développement futur de nouvelles techniques de neuromodulation. De plus, les LIPUS ont un large potentiel d’application dans le traitement des maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson et l’accident vasculaire cérébral.

À travers cette étude, on peut promouvoir davantage le développement et l’application de la technologie LIPUS, offrant de nouvelles idées et méthodes pour la recherche en neurosciences et le traitement clinique.