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Des protéines qui guident le câblage cérébral


Les dendrites sont également émis par le neurone afin de recevoir éventuellement des contacts en provenance d'autres neurones. Plus courts que l'axone et très ramifiés, ces prolongements grandissent néanmoins en développant eux aussi un cône de croissance à leur extrémité.


LE CÔNE DE CROISSANCE
LES MOLÉCULES QUI GUIDENT LE CÔNE DE CROISSANCEFACTEURS DE CROISSANCE ET MORT NEURONALEFORMATION ET STABILISATION SÉLECTIVE DES SYNAPSES

Un des aspects les plus extraordinaires du développement du système nerveux est sans doute la capacité des axones en croissance à trouver leurs cellules cibles. Celles-ci sont situées souvent à des millimètres ou même à des centimètres plus loin, ce qui constitue de très grandes distances à cette échelle. Cette capacité leur vient du cône de croissance, une structure située à l’extrémité de l’axone qui s’allonge.

Le cône de croissance est formé de divers prolongements qui avancent et reculent à la recherche de signaux de guidage, un peu comme des doigts qui s’étendent et se rétractent pour palper ce qu’il y a aux alentours. C’est donc en interagissant avec son environnement que le cône de croissance trouve des signaux qui le guideront à l’endroit où il doit établir des connexions avec d'autres neurones.


Ces signaux de guidage sont des molécules qui renseignent le cône de croissance sur la direction à suivre. Elles sont parfois fixées directement au substrat sur lequel se déplace le cône de croissance. Les molécules signaux peuvent aussi être sécrétées par une cellule et diffuser librement dans le milieu environnant. Il se forme ainsi un gradient qui influence à distance la trajectoire de l’axone en développement.

Si le cône de croissance peut être influencé par ces molécules, c’est qu’il possède des récepteurs spéciaux capables de les détecter. C’est donc grâce au déploiement de molécules guides et à leurs récepteurs spécifiques répartis sur différents neurones que les grandes voies neuronales se mettent en place dans l’embryon.


    

 

Il y a plus de 100 milliards de neurones dans le cerveau humain et chacun fait plusieurs milliers de synapses avec d'autres neurones. Les combinaisons possibles excèdent donc de beaucoup les quelques 20 ou 30 000 gènes que nous possédons. Ce caractère limité de l'information génétique suggère que d'autres facteurs extrinsèques comme les interactions entre cellules ou les molécules chimioattractives jouent un rôle important dans le développement du système nerveux.

Lien : Recount slashes number of human genes Lien : Scientists slash estimate of human genesLien : How Many Genes Are in the Human Genome?
LES MOLÉCULES QUI GUIDENT LE CÔNE DE CROISSANCE
LE CÔNE DE CROISSANCEFACTEURS DE CROISSANCE ET MORT NEURONALEFORMATION ET STABILISATION SÉLECTIVE DES SYNAPSES

Le cône de croissance qui guide l’axone vers la cellule avec laquelle il doit former une synapse est un peu comme un automobiliste qui circulerait dans un pays inconnu sans carte routière. Il doit s’en remettre uniquement aux panneaux de signalisation qu’il rencontre sur sa route. Pour le cône de croissance, ces signaux routiers prennent la forme de molécules. Celles-ci peuvent être divisées en deux grandes familles.



 

La première est faite de molécules attachées à différents supports situés sur la route qu’emprunte le cône de croissance. Comme des panneaux de signalisation routière que l’on reconnaît sur le bord de la route, ces molécules d’adhérence cellulaire sont reconnues par des récepteurs spécifiques situés sur la membrane du cône de croissance.

C’est donc par contact direct avec ces molécules que d’autres signaux sont transmis à l’intérieur de l’axone en croissance, des signaux qui en bout de ligne orientent la direction de sa croissance. Par opposition à la famille suivante, on qualifie ces molécules de non diffusibles.

 

Source:
Dr. Brian E. Staveley
Department of Biology
Memorial University of Newfoundland
Changement de direction d’un cône de croissance ayant touché un substrat avec des molécules d’adhésion compatibles.


La seconde famille fait donc intervenir des molécules non pas fixées sur un substrat, mais libres de diffuser dans le milieu aqueux qui entoure le cône de croissance. Ce mécanisme reçoit l’appellation de chimiotropisme. Transposé à l’échelle de l’individu, le chimiotropisme pourrait correspondre à l’odeur de café fraîchement torréfié qui attire irrémédiablement l’amateur d’espresso vers le lieu de la torréfaction. Dans ce cas, on parlera de chimioattraction. Mais il y a aussi des molécules qui ont un effet de chimiorépulsion sur l’axone en croissance. La mauvaise odeur d’un dépotoir en serait l’équivalent sur la trajectoire d’un marcheur…

Finalement il existe une troisième catégorie de molécules qui, sans être des signaux de signalisation en tant que tel, sont néanmoins nécessaires à l’allongement de l’axone. On les appelle les facteurs de croissance et ils jouent un rôle crucial dans la formation des connexions synaptiques.


    
Capsules originales
Outil: L'apoptoseL'apoptose

En plus de permettre la survie de certains neurones particuliers durant le développement et de participer à l’organisation de leurs connexions initiales, la compétition pour les molécules trophiques permet aux ramifications des neurones et à leur connexions de se modifier tout au long de la vie suite aux changements de l’activité nerveuse provoqués par les processus d’apprentissage.


FACTEURS DE CROISSANCE ET MORT NEURONALE
LE CÔNE DE CROISSANCELES MOLÉCULES QUI GUIDENT LE CÔNE DE CROISSANCEFORMATION ET STABILISATION SÉLECTIVE DES SYNAPSES

À partir du moment où les neurones commencent à se constituer en circuits, il se produit un changement d’échelle dans le développement du système nerveux : de cellules isolées, nous passons à un réseau de milliers d’éléments interconnectés. C’est ce réseau qui acquiert la capacité de traitement de l’information qui fait du cerveau l’outil puissant que l’on connaît.

Mais ce réseau est loin d’être parfait au départ. On assiste en particulier à une production de deux ou trois fois plus de neurones que nécessaire, suivie par une réduction subséquente des neurones excédentaires. Quels sont donc les neurones qui vont survivre et pourquoi ceux-là ?

On sait maintenant que la survie d’un neurone dépend en grande partie de la relation qu’il va entretenir avec sa cellule cible. Des expériences ont par exemple montré qu’en réduisant le nombre de cellules cibles, on réduit le nombre de neurones qui doivent venir les connecter. À l’opposé, l’existence d’une plus grande population cellulaire à innerver maintient en vie un plus grand nombre de motoneurones.


Le taux de survie des neurones dépend de l’importance de la population des cellules cibles qu’ils innervent. Les zones ombragées symbolisent la destruction de cellules cibles.

Le mécanisme en jeu pour expliquer ce phénomène implique donc une certaine compétition entre les neurones pour des facteurs de survie particuliers appelés facteurs de croissance ou facteurs trophique. Du grec trophè, pour nourriture, ces substances ne sont cependant pas des sources d’énergie comme le glucose ou l’ATP, mais bien des molécules sécrétées par les cellules cibles qui sont indispensables à la survie et à la croissance des neurones.

Pour reprendre la métaphore automobile, il ne s’agit pas ici de l’essence qui sert de source d’énergie au véhicule mais à quelque chose de l’ordre du permis de conduire. En effet, son absence amène de gros problèmes au développement de l’axone et bien souvent son élimination pur et simple des routes neuronales…

La mort de ces neurones sera alors bien différente de celle provoquée par une lésion ou une maladie. Il s’agira plutôt d’une disparition en douceur et programmée, appelée apoptose.

L’apoptose implique en effet l’expression d’une multitude de gènes spécifiques qui entraînent la dégénérescence cellulaire d’une façon qui n’est pas dommageable pour l’ensemble de l’organisme. Ces gènes sont d’ailleurs souvent aussi impliqués dans la différenciation et le contrôle du cycle cellulaire normal (voir capsule outil à gauche).

En plus de cette compétition au niveau des populations neuronales, on assiste à un autre phénomène compétitif au niveau des différents axones qui innervent une même cellule.


    
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Lien : La connaissance de la génétique de l'autisme avance

Dans le cerveau d’un bébé, les neurones reçoivent autour d’une fois et demie plus de synapses que les neurones de cerveaux adultes. Ces nombreuses connexions se maintiendraient relativement constantes jusqu’à la puberté, mais à l’adolescence, une perte marquée se produirait : les neurones du cortex visuel primaire perdraient alors en moyenne 5 000 synapses par seconde !


Quand une cellule cible perd des connexions d’autres neurones pour ne conserver celles en provenance que d’un seul neurone, on parle souvent à tort «d’élimination de synapses». Pour être juste, on devrait dire qu’il s’agit plutôt d’une réduction du nombre d’afférences différentes que reçoit la cellule cible, le nombre total de synapses ne faisant généralement qu’augmenter au cours du développement.



FORMATION ET STABILISATION SÉLECTIVE DES SYNAPSES
LE CÔNE DE CROISSANCELES MOLÉCULES QUI GUIDENT LE CÔNE DE CROISSANCEFACTEURS DE CROISSANCE ET MORT NEURONALE

Il arrive souvent que le guidage des axones jusqu’au voisinage de leur cible soit le même pour des neurones impliqués dans différents circuits. Comment chaque axone reconnaît-il alors la bonne cellule cible ? Dans certains cas, il semble que des molécules semblables aux molécules d’adhérence cellulaire agissent comme des étiquettes qui permettent aux différents cônes de croissance des axones de reconnaître les bonnes cellules cibles.

De plus, l’endroit exact où se forme la synapse sur la cellule est étroitement contrôlé par un ensemble de molécules. Car la synapse exige la présence de structures moléculaires particulières pour fonctionner convenablement.

 

Ainsi, au niveau de la jonction neuro-musculaire où la formation des synapses a été la plus étudiée, on appelle « zone active » cet endroit où la machinerie de libération des neurotransmetteurs des axones s’aligne avec des regroupements de forte densité de récepteurs à l’acétycholine dans la fibre musculaire.

Une fibre musculaire peut, dans un premier temps, recevoir des connexions en provenance de plusieurs motoneurones. Mais elle les perdra progressivement pour ne conserver qu’une connexion d’un seul motoneurone.

On a pu montrer que c’est l’activité électrique de la fibre musculaire qui régule ce processus. Plus la fibre est active, plus les synapses s’éliminent rapidement, à l’exception de celles provenant d’un seul motoneurone. À l’opposé, réduire l’activité musculaire retarde cette sélection.

Il existe de nombreuses preuves que de telles réorganisations synaptiques interviennent également dans le cerveau immature. Un neurone peut autant perdre des connexions initialement établies avec d’autres neurones, ou encore voir ses connexions avec certains neurones se multiplier. Et encore une fois, c’est l’activité nerveuse qui permet le maintient ou l’augmentation des contacts synaptiques alors que l’absence de stimulation amène l’élimination de ces synapses inutiles. C’est pourquoi l’on dit que la stabilisation de nos synapses est sélective et que c’est l’activité des circuits qui est à l’origine de cette sélection.

Le câblage du cerveau d’un individu résulte d’un plan génétique initial qui laisse par la suite les connexions neuronales se remodeler au fil des interactions avec l’environnement. Deux grands patterns de circulation de l’information se dessinent alors : la convergence, c’est-à-dire plusieurs fibres nerveuses qui arrivent sur la même cellule cible, et la divergence, soit un même neurone qui contacte différentes cellules.

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