Architecture de la mémoire et de l’apprentissage
L’architecture des neurones et des connections synaptiques soutient des fonctions cérébrales fondamentales comme l’acquisition et la modulation de la mémoire. Les terminaux synaptiques sont de très petite taille à l'échelle micrométrique, fonctionnant avec une machinerie moléculaire complexe. En combinant théorie, modélisation mathématique et méthodes expérimentales, les scientifiques ont montré que le positionnement d'acteurs moléculaires à l'échelle nanométrique est stratégique pour le contrôle d'événements calciques qui permettent de programmer les neurones sur le long terme. Ces résultats sont publiés dans la revue Science Advances.
Dans ce travail, les scientifiques ont analysés la façon dont les acteurs moléculaires des terminaux synaptiques sont organisés pour contrôler les événements qui déterminent les changements des connections synaptiques et donc la programmation des neurones. Ces événements sont des changements miniatures et orchestrés de la concentration du calcium grâce à un positionnement stratégique et donc dans une architecture nanométrique à l'intérieure des synapses.
Le terminal post-synaptique positionné sur une épine dendritique est le siège d'événements calciques qui se produisent à des échelles de temps rapides (en millisecondes) avec des résolutions spatiales submicroniques. Cette résolution spatio-temporelle n’est pas encore accessible en simple microscopie. Les chercheurs ont donc utilisé une approche combinant théorie et pratique expérimentale pour montrer que les transitions calciques rapides observées dans les épines peuvent s'expliquer grâce à une nouvelle théorie, appelle la statistiques des évènements extrêmes, où les temps caractéristiques de l’activation calcique sont liés à l’arrivée des premiers ions calcium sur leurs cibles moléculaires.
Les prédictions théoriques qui ont conduit aux vérifications par imagerie de super-résolution ont permis de trouver le positionnement à l'échelle nanométrique des pompes a calcium (SERCA) et des récepteurs (de Ryanodine) situés au-dessous des réserves de calcium présentes dans le réticulum endoplasmique (RE). De façon intéressante, la séparation physique de ces récepteurs avec d’autres molécules (STIM-ORAI) garantit l'absence d'ambiguïté entre le remplissage et la "vidange" du RE.
Ces nouveaux développements en nanophysiologie révèlent l'importance des théories de physiques statistiques permettant désormais, grâce à la modélisation mathématique et aux simulations stochastiques, d'accéder à l’exploration des phénomènes biologiques à petite échelle. Dans des études ultérieures, les chercheurs prévoient de caractériser les conditions nanométriques liées à certaines pathologiques telles que la maladie d'Alzheimer sur la base des divergences nano- et micro-architecturales avec des synapses normales.
Figure : Nano-architecture dans les synapses : changement d’échelle allant du cerveau au neurone, à la synapse puis à l’épine dendritique dont la nano-architecture précise rappelle la tour de Pise.
Pour en savoir plus :
Nanoscale molecular architecture controls calcium diffusion and ER replenishment in dendritic spines
Basnayake, K., Mazaud, D., Kushnireva, L., Bemelmans, A., Rouach, N., Korkotian, E., & Holcman, D.
Science Advances 15 sept 2021. DOI: 10.1126/sciadv.abh1376
Contact
laboratoire
Institut de biologie de l'école normale supérieure - IBENS (CNRS/ENS-PSL/Inserm)
46 rue d'Ulm
75005 Paris
France