Des chercheurs identifient un nouveau mécanisme de neuroplasticité lié à l'apprentissage et à la mémoire

Les neurones sont importants, mais ils ne sont pas les seuls acteurs du processus. En effet, c'est le « cartilage », sous forme d'amas de molécules de la matrice extracellulaire appelées sulfates de chondroïtine, situés à l'extérieur des cellules nerveuses, qui joue un rôle clé dans la capacité du cerveau à acquérir et à stocker l'information.

Une étude publiée dans la revue Cell Reports décrit un nouveau mécanisme de plasticité cérébrale, c'est-à-dire la façon dont les connexions neuronales évoluent en réponse à des stimuli externes. L'article s'intitule « Les amas focaux de la matrice périsynaptique favorisent la plasticité et la mémoire dépendantes de l'activité chez la souris ».

Ce travail est le fruit d'une collaboration entre la Harvard Medical School, l'Université de Trente et le Centre allemand des maladies neurodégénératives (DZNE) de Magdebourg.

« Les capacités sensorielles et la capacité à comprendre notre environnement dépendent de l'activité cérébrale, qui nous permet de percevoir et de traiter les stimuli du monde extérieur. Grâce à notre cerveau, nous sommes capables d'acquérir et de stocker de nouvelles informations, ainsi que de mémoriser celles que nous avons déjà apprises », expliquent Yuri Bozzi et Gabriele Cellini.

Ce phénomène fascinant est rendu possible par la capacité du cerveau à modifier continuellement la structure et l'efficacité des connexions neuronales (synapses) en réponse à des stimuli externes. Cette capacité est appelée plasticité synaptique. Comprendre comment se produisent les changements synaptiques et comment ils contribuent à l'apprentissage et à la mémoire est l'un des principaux défis des neurosciences.

Yuri Bozzi est professeur à l'Université de Trente et co-auteur principal de l'article. Gabriele Cellini est le premier auteur de l'étude. Cellini a commencé à travailler sur ce projet en 2017 en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Sabina Berretta (Hôpital McLean et Harvard Medical School, Boston) et a finalisé la publication scientifique alors qu'il travaillait comme chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Bozzi à l'Université de Trente.

Au centre de l'étude se trouvent les sulfates de chondroïtine, des molécules bien connues pour leur rôle dans les articulations qui jouent également une fonction importante dans la plasticité cérébrale, faisant partie intégrante de la matrice extracellulaire du cerveau, comme l'a découvert à l'origine le groupe du Dr Alexander Dityatev en 2001.

En 2007, une étude japonaise a décrit la présence d'agrégats de sulfate de chondroïtine, de forme ronde et disséminés de manière apparemment aléatoire dans le cerveau. Ces travaux ont cependant été oubliés jusqu'à ce que le laboratoire de neurosciences translationnelles de Sabina Berretta remette ces structures sur le devant de la scène scientifique en les renommant « agrégats CS-6 » (pour chondroïtine sulfate-6, ce qui permet d'identifier leur composition moléculaire précise) et en montrant que ces structures sont associées aux cellules gliales et sont fortement réduites dans le cerveau des personnes atteintes de troubles psychotiques.

Puis, en 2017, Gabriele Cellini, nouvellement embauché dans le laboratoire de Berretta, a été chargé de découvrir la fonction de ces clusters.

« Nous avons d'abord examiné ces structures en détail, en les photographiant à très haute résolution. Nous avons découvert qu'il s'agissait essentiellement d'amas de synapses recouvertes de CS-6, organisées selon une forme géométrique clairement reconnaissable. Nous avons ensuite identifié un nouveau type d'organisation synaptique », expliquent les scientifiques.

« À ce stade, nous avons dû faire preuve d'un peu de « créativité expérimentale »; en utilisant une combinaison d'approches comportementales, moléculaires et morphologiques sophistiquées, nous avons réalisé que ces composés encapsulés dans des clusters CS-6 changent en réponse à l'activité électrique dans le cerveau. »

« Enfin, grâce à la collaboration avec Alexander Dityatev de DZNE Magdeburg et aux efforts de Hadi Mirzapurdelawar de son groupe, nous avons réduit l'expression de CS-6 dans l'hippocampe (la région du cerveau responsable de l'apprentissage spatial) et démontré que la présence de CS-6 est nécessaire à la plasticité synaptique et à la mémoire spatiale », soulignent Bozzi et Cellini.

« Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle approche du fonctionnement cérébral. Il est possible que toutes les synapses formées sur différents neurones au sein des clusters CS-6 aient la capacité de réagir ensemble à des stimuli externes spécifiques et de participer à une fonction commune visant les processus d'apprentissage et de mémoire », notent-ils.

« Ils semblent représenter un nouveau substrat pour l’intégration de l’information et la formation d’associations au niveau multicellulaire », ajoutent Dityatev et Berretta.

Ce travail est le fruit d'une collaboration entre plusieurs laboratoires, dont le Laboratoire de neurosciences translationnelles (Sabina Berretta; McLean Hospital - Harvard Medical School, Boston), le Laboratoire de recherche sur les troubles neurodéveloppementaux (Yuri Bozzi; CIMeC - Centre interdisciplinaire pour les sciences du cerveau, Université de Trente) et le Laboratoire de neuroplasticité moléculaire (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).