Découverte d'un neurone majeur contrôlant le mouvement chez les vers, important pour le traitement humain

Des chercheurs de Sinai Health et de l’Université de Toronto ont découvert un mécanisme dans le système nerveux du minuscule ver rond C. elegans qui pourrait avoir des implications importantes pour le traitement des maladies humaines et le développement de la robotique.

L'étude, dirigée par Mei Zhen et ses collègues de l'Institut de recherche Lunenfeld-Tanenbaum, est publiée dans la revue Science Advances et révèle le rôle clé d'un neurone spécifique appelé AVA dans le contrôle de la capacité du ver à basculer entre le mouvement vers l'avant et vers l'arrière.

Il est essentiel pour les vers de ramper vers les sources de nourriture et de s'éloigner rapidement du danger. Ce comportement, où les deux actions s'excluent mutuellement, est typique de nombreux animaux, y compris les humains, qui ne peuvent pas s'asseoir et courir en même temps.

Les scientifiques pensent depuis longtemps que le contrôle du mouvement chez les vers s'effectue par la simple interaction de deux neurones: AVA et AVB. Le premier favoriserait le mouvement vers l'arrière, le second vers l'avant, chacun inhibant l'autre dans le contrôle de la direction du mouvement.

Cependant, de nouvelles données de l'équipe de Zhen remettent en question cette théorie, révélant une interaction plus complexe dans laquelle le neurone AVA joue un double rôle. Non seulement il arrête immédiatement le mouvement vers l'avant en supprimant le BAV, mais il maintient également une stimulation à long terme du BAV pour assurer une transition en douceur vers le mouvement vers l'avant.

Cette découverte met en évidence la capacité du neurone AVA à contrôler finement le mouvement à travers différents mécanismes en fonction de différents signaux et de différentes échelles de temps.

« D'un point de vue technique, il s'agit d'une conception très économique », explique Zheng, professeur de génétique moléculaire à la faculté de médecine Temerty de l'Université de Toronto. « Une inhibition forte et soutenue de la boucle de rétroaction permet à l'animal de réagir aux conditions défavorables et de s'échapper. Parallèlement, le neurone de contrôle continue d'injecter un gaz constant dans la boucle directe pour se déplacer vers des endroits sûrs. »

Jun Meng, un ancien doctorant du laboratoire de Zheng qui a dirigé l'étude, a déclaré que comprendre comment les animaux passent d'un état moteur à l'autre est essentiel pour comprendre comment les animaux se déplacent, ainsi que pour la recherche sur les troubles neurologiques.

La découverte du rôle dominant du neurone AVA offre de nouvelles perspectives sur les circuits neuronaux étudiés par les scientifiques depuis l'avènement de la génétique moderne, il y a plus d'un demi-siècle. Le laboratoire de Zheng a utilisé avec succès une technologie de pointe pour moduler précisément l'activité de neurones individuels et enregistrer des données de vers vivants en mouvement.

Zhen, également professeur de biologie cellulaire et systémique à la Faculté des arts et des sciences de l'Université de Toronto, souligne l'importance de la collaboration interdisciplinaire dans cette étude. Meng a mené les expériences clés, et les enregistrements électriques des neurones ont été réalisés par Bin Yu, doctorant au laboratoire de Shangbang Gao à l'Université des sciences et technologies de Huazhong, en Chine.

Tosif Ahmed, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zheng et désormais chercheur en théorie au campus de recherche Janelia du HHMI aux États-Unis, a dirigé la modélisation mathématique qui était importante pour tester les hypothèses et acquérir de nouvelles connaissances.

Les AVA et AVB présentent des plages de potentiel membranaire et des dynamiques différentes. Source: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

Les résultats de l’étude fournissent un modèle simplifié pour étudier la manière dont les neurones peuvent gérer plusieurs rôles dans le contrôle du mouvement – un concept qui pourrait également être appliqué aux conditions neurologiques humaines.

Par exemple, le double rôle de l'AVA dépend de son potentiel électrique, régulé par des canaux ioniques à sa surface. Zheng étudie déjà comment des mécanismes similaires pourraient être impliqués dans une maladie rare appelée syndrome CLIFAHDD, causée par des mutations dans des canaux ioniques similaires. Ces nouvelles découvertes pourraient également éclairer la conception de systèmes robotiques plus adaptatifs et plus performants, capables d'effectuer des mouvements complexes.

« Depuis les origines de la science moderne jusqu'à la recherche de pointe actuelle, des organismes modèles comme C. elegans ont joué un rôle important dans la découverte de la complexité de nos systèmes biologiques », a déclaré Anne-Claude Gingras, directrice de l'Institut de recherche Lunenfeld-Tanenbaum et vice-présidente de la recherche à Sinai Health. « Cette étude illustre parfaitement comment nous pouvons apprendre des animaux simples et appliquer ces connaissances au progrès de la médecine et de la technologie. »