Sommaire
Qu'est-ce qui vous a amené à commencer cette recherche?
Nous travaillons depuis un certain temps dans le domaine de la neuraxie émotionnelle viscérale. Cette neuraxie émotionnelle viscérale est l'endroit où il existe une interaction entre l'état des organes périphériques, l'humeur et la fonction mentale, etc.
Il est bien connu que le stress a un effet néfaste, en particulier sur le cœur et probablement sur d'autres organes. Il existe tout un système de communication entre le cerveau et les organes qui le subordonne et permet cette interaction entre l'état viscéral et l'état émotionnel.
La santé des organes périphériques dépend du bon fonctionnement de cette interaction. Dans le cas contraire, vous obtenez, par exemple, une insuffisance cardiaque et une maladie cardiaque. Dans le même temps, il a été démontré dans certaines conditions que vous pouvez améliorer un organe malade en améliorant le fonctionnement de l'innervation de l'organe en le plaçant dans un domaine plus sain.
Ce sont toutes des questions scientifiques et cliniques intéressantes, mais c'est un sujet qui n'a pas reçu énormément de soutien et de financement. Il a tendance, comme on dit, à tomber entre deux selles. Ce n'est pas tout à fait la neurologie et ce n'est pas tout à fait la cardiologie. Il est là et il est connu, mais il n'est pas vraiment axé sur.
Un programme est venu appelé SPARC. Il n'est pas axé sur la neurologie ou le cœur, ou les poumons, le sang ou tout autre domaine traditionnel spécifique. Il s'agit d'un schéma global qui tente de saisir les opportunités qui ne sont pas recherchées par les organisations spécialisées.
Un vaste programme a été mis en place dans le but de fournir une cartographie complète de la relation entre l'écoulement autonome et, en particulier, le nerf vague et les organes périphériques, y compris le cœur, qui nous intéressent.
Les phases initiales ont été fondamentales. Le but était « Voyons de quoi il s'agit. Comment est-ce organisé? Comment ça marche? », Et d'utiliser ces réponses comme tremplin pour entrer dans plus d'études cliniques. Nous avons postulé et avons finalement pu recevoir un certain soutien, et ce travail est le sous-produit de la contribution à cet effort.
Il y a un intérêt assez ancien pour accéder à la fonction au-delà de la structure. Cette première tentative a porté sur la structure anatomique et moléculaire du système. En fin de compte, l'objectif est de comprendre la fonction du système.
Pourquoi les processus neuronaux dans le cœur sont-ils un aspect si important de la fonction corporelle? Et pourquoi était-il si important de cartographier ce système neuronal?
Les maladies cardiaques sont très courantes et de loin la principale cause de décès dans le monde. Les gens souffrent gravement de maladies cardiaques. Ils peuvent ressentir une douleur considérable pendant un certain temps ou avoir des fonctionnalités très réduites.
Les approches pharmaceutiques qui ont été adoptées jusqu'à présent ont été quelque peu efficaces. Ils ne sont pas sans valeur, mais ils sont loin de régler le problème.
Le développement de dispositifs pour manipuler l'activité des nerfs périphériques pourrait potentiellement avoir une grande influence positive sur la compréhension et la gestion de la santé des organes – dans ce cas, la santé cardiaque.
Il est vraiment important de déballer le calcul neuronal et la partie de circuit des organes environnants afin de pouvoir mieux visualiser, concevoir et tester ces appareils et les rendre sûrs. Jusqu'à présent, nous n'en savons pas assez pour pouvoir rendre ces appareils efficaces et sûrs.
La clé pour cela est de développer une carte moléculaire et fonctionnelle anatomique détaillée du système du cœur lui-même. Par exemple, avec le nerf vague, vous pouvez essentiellement arrêter complètement le cœur si vous altérez cela de la mauvaise façon.
Qu'est-ce que le système nerveux intracardiaque et comment fonctionne-t-il?
Dans un sens, le système nerveux central envoie un axone vers sa cible et innerve directement le muscle ou la peau. Ce trafic et cette communication sont directs et inversés entre la cible périphérique et le système nerveux central.
Cependant, ce qui surprend souvent les gens, c'est qu'il existe un système nerveux parallèle appelé système nerveux autonome dans lequel ce n'est pas le cas. Dans le système nerveux autonome, il y a des neurones interposés entre les nerfs sortant du cerveau et l'organe terminal.
Donc, dans notre cas du cœur, cela signifie qu'il y a tout un système nerveux qui est intermédiaire, comme un petit cerveau dans le cœur. C'est l'effecteur qui affecte le cœur, pas le cerveau.
C'est quelque chose qui n'est pas vraiment connu, même chez les cardiologues. Les neurones ont tendance à être intégrés dans les coussinets adipeux des oreillettes et des ventricules chez l'homme.
Tous les effets positifs que l'écoulement du cerveau a sur l'organe terminal doivent passer par ces neurones intermédiaires intégrés dans le cœur.
Les gens ont étudié ces neurones, mais il y a eu bien moins qu'une appréciation complète de leur nombre, de leur organisation, de leur distribution, et certainement pas de leurs identités moléculaires et de leurs phénotypes. Nous commençons à combler ces lacunes.
Raj a effectué des recherches qui ont montré qu'il existe une énorme activité locale au sein de ce système, qui ne dépend pas du cerveau. Le cœur communique des informations sensorielles au cerveau, mais à chaque instant, il dispose d'un système en boucle fermée qui s'occupe des choses localement.
Nous avons recherché des propriétés de contrôle et montré qu'il existe un grand potentiel de calcul local d'une manière qui simplifie le problème de régulation du cerveau. Nous n'avions pas affaire à une carte complète comme nous le sommes aujourd'hui.
Maintenant que nous avons cette complexité, nous voulons voir si nous pouvons transformer cela en une compréhension dynamique de la façon dont toutes ces molécules conduisent à certaines propriétés de contrôle. Quel genre de calcul local se produit? Il y a des questions fascinantes à chasser, maintenant que nous avons ce substrat fondamental complet.
Dans la phase suivante, l'une des choses que nous faisons est de travailler avec Peter Hunter à Auckland, en Nouvelle-Zélande, qui développe une abstraction du cœur qu'il a appelé un échafaudage.
Nous montons notre cartographie dans cet échafaudage de telle sorte qu'il existe maintenant une représentation 3D objective indépendante du cœur et du système nerveux du cœur, de telle manière que d'autres données puissent y être intégrées.
Crédit d'image: Innervation intrinsèque et extrinsèque du cœur chez le poisson zèbre (D anio rerio): Innervation cardiaque du poisson zèbre – Figure scientifique sur ResearchGate. Disponible sur: https://www.researchgate.net/figure/Organization-of-intracardiac-nervous-system-demonstrated-with-acetylated-tubulin-AcT_fig1_272844021
Qu'est-ce que la microscopie à balayage en lame de couteau (KESM) et comment l'avez-vous utilisée?
Une petite entreprise du sud de San Francisco, 3Scan, a développé cette technologie KESM.
Nous venions de prendre un cœur de rat et de prendre quelque chose appelé le cryostat, un appareil qui prend un plus gros morceau de tissu comme un cœur et le transforme en coupes de tissu qui peuvent être montées sur des lames de verre pour les regarder au microscope. En faisant cela, nous étions un peu limités par le fait que le cœur a ces chambres géantes qui peuvent s'effondrer de différentes manières.
Ce que nous voulions réaliser était de prendre les données présentes sur chaque diapositive, sous forme de neurones colorés, et d'empiler ces sections avec la cartographie des neurones dans une représentation 3D de l'organe entier avec le positionnement correct de ces neurones. Mais lorsque chacune de ces sections est déformée dans une certaine mesure, le résultat n'est pas exact.
L'une des causes de ce problème est le problème de la banane. Si vous avez une banane et qu'elle a une courbe, que vous la coupez en fines tranches et que vous remettez les tranches ensemble en les empilant, vous allez perdre la courbe – elles vont juste être droites de haut en bas. Cela ne ressemblera pas à une banane.
Ce que fait le couteau, c'est prendre un couteau en diamant transparent, ce qui signifie que le microscope peut voir le tissu à travers lui. Le couteau diamant coupe à cinq microns, ce qui est assez mince. Un système de caméra au microscope capture alors des images numériques de la section telle qu'elle est sectionnée, à une résolution d'environ un demi-micron par une taille de pixel d'un demi-micron.
En raison de l'image à très haute résolution de la section de tissu in situ, vous capturez une image détaillée de la section elle-même, ce qui signifie que la pile sera exactement la même que l'organe d'origine sans distorsion. C'est la microscopie à balayage à couteau.
La deuxième partie du problème est qu'il y a beaucoup de données. Si vous le faites manuellement avec une imagerie de tranche entière, selon la façon dont la diapositive est imagée, même l'empilement peut ne pas être aussi simple à faire et l'alignement devient un problème même après avoir un cadre de référence pour contourner le problème de la banane.
Ce que le système KESM faisait, c'était non seulement l'acquisition d'images dans un cadre de référence, mais la configuration de l'ensemble du système pour un débit de données élevé. La masse de données que vous collectez et triez est intégrée à l'ensemble du système KESM de manière à faciliter une analyse en aval. Cela fait un monde de différence.
Comment avez-vous construit votre modèle 3D d'un cœur de rongeur?
KESM en était la première partie, acquérant les cœurs de rats et obtenant les données d'image. C'était un volume assez important de données d'image.
Nous avons un deuxième collaborateur appelé MicroBrightField, MBF Biosciences. Leur spécialité est le logiciel de cartographie 3D de coupes de tissus du cerveau et les reconstructions 3D subséquentes de régions du cerveau.
Cependant, ils ont modifié leur logiciel pour travailler avec le cœur. À l'aide de leurs logiciels TissueMaker ™ et Tissue Mapper ™, ils ont pu prendre des données de 3Scan et les transformer en une pile d'images mappables par le logiciel.
Nous avons d'autres collaborateurs à Orlando, en Floride à UCF, ainsi que le nôtre à Philadelphie, qui avait utilisé ce logiciel pour créer ces mappages et ces représentations 3D.
Il s'agit en grande partie d'un effort conjoint. Beaucoup de travail d'équipe a été impliqué, dont je suis fier. La clé était que tout le monde était vendu sur le but et le but de tout cela. Accéder à cette carte 3D à une résolution très élevée était une occasion unique dans une vie. Un élément essentiel était de laisser les données parler d'elles-mêmes et non de les biaiser avec ce que nous pensions que la biologie devrait être.
Qu'avez-vous trouvé en termes de distribution neuronale par rapport aux structures anatomiques du cœur? Comment avez-vous appliqué cela aux fonctions de ces structures anatomiques?
Le cœur de rat est le modèle de physiologie, de pharmacologie et de biochimie le plus utilisé. Il a des similitudes avec les humains mais est également très différent.
Il est important d'avoir une image claire de l'organisation des neurones chez le rat. La littérature antérieure a tendance à se concentrer sur ce qu'on appelle la base du cœur. Cela semble contre-intuitif, mais la base du cœur est le haut du cœur. Cela vient de l'embryologie car le cœur se développe de haut en bas, et donc la base est l'origine du cœur, d'où il se développe. Ensuite, il se développe jusqu'à ce que l'on appelle l'apex au bas des ventricules.
La base du cœur (hile) est l'endroit où se concentre ce système neuronal. Le hile de tout organe est la région dans laquelle les vaisseaux qui le servent entrent et sortent. Vous avez donc des artères et des veines – l'artère pulmonaire, l'aorte, les veines pulmonaires et ainsi de suite pour entrer et sortir de cette région.
Au cours du développement, les neurones migrent vers le cœur, le long des vaisseaux, puis se dispersent. L'idée était que vous allez vous retrouver avec cette diffusion très variable, désorganisée et aléatoire des neurones.
Ce n'est pas ce que nous avons réellement vu lorsque nous avons pu remonter la chose. Il y a beaucoup d'innervation provenant du hile autour des vaisseaux, en particulier avec les veines pulmonaires et autour de la veine cave.
Ces grappes sont presque comme une feuille continue de neurones qui s'étendent hors du hile. L'un des endroits où ils vont est la fine membrane séparant les oreillettes appelée septum interatrial.
Les grappes continuent le long de l'oreillette gauche sur la surface postérieure du cœur, et ces grappes sont substantielles. Ils ne sont pas continus – ce sont des amas distincts qui s'étendent jusqu'à la limite ventriculaire. Ce fut une grosse surprise.
La prochaine chose que nous avons faite a traversé plusieurs cœurs différents. Ce que nous avons constaté, c'est qu'ils sont en fait assez cohérents les uns avec les autres et ce n'est pas du tout une situation aléatoire ou très variable.
Une carte complète ouvre de nouvelles possibilités pour dire: ces clusters sont-ils les mêmes? Comment sont-ils différents? De quelles manières peuvent-ils présenter des fonctions distinctes, ou sont-ils là pour la redondance? Du coup, la façon dont nous posons ces questions pourrait changer, car la voie au moins a été affinée de manière très substantielle.
Qu'avez-vous découvert grâce à l'analyse de l'expression des gènes de neurones individuels?
L'une des questions importantes avant d'entrer dans le détail était quel est le niveau de complexité de ces neurones? Sont-ils principalement basés sur un ou deux types de molécules qu'ils utilisent pour communiquer? Sont-ils cholinergiques? Utilisent-ils de l'adrénaline ou des neurones adrénergiques? La plupart des publications publiées le décrivent comme un système en deux parties.
Pendant longtemps, ces choses ont été considérées comme une nuance qui ne pouvait pas faire grand-chose, car le cerveau doit être là où tout se passe.
Ici, nous sommes entrés dans l'expression du gène d'un seul neurone, et c'était en soi un exploit techniquement difficile. La microdissection par capture laser était nécessaire et, surtout, le suivi spatial d'où nous obtenions ces neurones afin qu'ils puissent être remis en place dans la carte.
Quand on regarde cette expression génique qui est suivie spatialement, il y a une énorme quantité de complexité. Il existe une large gamme de neurotransmetteurs dans le système neuromodulateur présent. Et donc, le potentiel de calcul est immense. De plus, il n'y avait pas de types distincts de neurones qu'ils ont décomposés en neuropeptides distincts. Il n'y avait pas d'ensembles distincts de neurones qui fabriquaient des neuromodulateurs distincts. Nous voyons une logique combinatoire en jeu.
La façon dont nous devons penser le problème n'est pas qu'il y a des parties complètement distinctes qui se rejoignent d'une manière ou d'une autre, mais plutôt chaque neurone a une capacité de faire beaucoup, beaucoup de choses. Plusieurs neurotransmetteurs et processus neuromodulateurs peuvent être activés et utilisés de manière flexible dans chaque neurone.
Et alors, comment fonctionnerait ce système? Cela ouvre beaucoup de nouvelles questions sur notre façon de penser la plasticité et l'adaptation dans ce processus. Il y a une histoire qui relie cela au cerveau et aux gradients moléculaires.
Nous suivons les technologies récemment développées dans le cerveau. Le chef de file était l'Institut Allen.
Ils ont développé des technologies en collaboration avec MicroBrightField (MBF) et ont été les chefs de file pour trouver comment fabriquer ces types d'atlas moléculaires. Ce qu'ils ont constaté de façon constante, c'est que les propriétés neurochimiques ou les phénotypes moléculaires sont présents en gradients dans les différentes parties du cortex cérébral. Vous voyez des modulateurs, des émetteurs et des récepteurs répartis en gradients.
C'est ce que nous recherchions aussi au cœur. Et en effet, il y a des gradients. Ce n'est pas comme si tous les neurones faisaient la même chose. La distribution des neurones cardiaques exprime différemment les modulateurs et les émetteurs et récepteurs.
Ils le font d'une manière intéressante qui suggère qu'en plus de la fonction directe de neurone à neurone, il pourrait également y avoir des opportunités pour la fonction paracrine, c'est-à-dire qu'un groupe de neurones pourrait être baigné dans un modulateur afin de modifier l'activité de la population . Cela a permis de commencer à réfléchir aux interventions de manière beaucoup plus large.
On savait peu qu'il y avait plus dans le cœur que l'acétylcholine et la norépinéphrine, mais fondamentalement, c'est ainsi que les gens ont pensé du système – que le neurotransmetteur utilisé par les neurones du cœur est l'acétylcholine et qu'il existe une modulation à partir des entrées de norépinéphrine. , mais c'est à peu près tout.
Grâce à nos recherches, le système neuronal cardiaque s'est révélé plus intéressant, plus complexe et plus organisé qu'on ne le pensait. Il semble y avoir une organisation structurelle fondamentale du système nerveux du cœur à la fois en termes de regroupement, de distribution et de types de facteurs modulateurs et de récepteurs qu'il utilise.
Jusqu'à présent, le seul autre organe avec une carte neuronale 3D aussi détaillée est le cerveau. Comment le protocole que vous avez utilisé pourrait-il aider à détailler d'autres organes, et comment cela pourrait-il améliorer les connaissances scientifiques et médicales?
MBF Biosciences était notre collaborateur exclusif et sous-traitant de notre subvention pour faire le cœur. Cependant, une fois que les dirigeants de la SPARC ont vu ce que nous obtenions, ils les ont arrachés à ce qu'ils appellent MAPcore, où ils travaillent avec tous les autres organes du programme SPARC, tels que le pancréas, la vessie et l'intestin.
En outre, de nombreuses leçons ont été apprises en travaillant avec le cœur, non seulement dans KESM et avec MBF Biosciences, mais aussi sur la façon d'annoter et de partager ces informations et de les transformer en un échafaudage plus généralisable.
La vision de SPARC est d'avoir toutes ces données dans une seule ressource hautement structurée, annotée et accessible qui est disponible pour la communauté de toutes les manières. L'espoir est que ce sera une ressource très utilisée qui sera peuplée d'ensembles de données pertinents supplémentaires qui l'auront utilisée.
À quelle distance pensez-vous que l'imagerie neuronale 3D d'un cœur humain est?
La seule chose qui se dresse entre nous et c'est l'argent.
Il y a quelques changements technologiques à faire, mais aucun n'est insurmontable. Il est très clair ce que nous devons faire et nous y avons beaucoup réfléchi. Beaucoup de planification détaillée a eu lieu sur la façon dont on pourrait s'y prendre.
Nous avons même réduit une partie de cela à un petit morceau de cœur de porc. Le cœur de porc est énorme – il est aussi gros qu'un cœur humain et il est plus semblable à un cœur humain. Ce n'est pas exactement la même chose, mais c'est une bonne mise à l'échelle.
Nous pensons que le cœur humain se fera dans moins d'une décennie, étant donné que tant de choses ont été déterminées dans le pipeline et que la clé est le timing. Comme pour tout, lorsque les gens se rassemblent, rassemblent leurs cerveaux et technologies collectifs pour travailler sur un problème et tout est frais dans l'esprit, c'est le moment de le faire.
Crédit d'image: Africa Studio / Shutterstock.com
Comment ce modèle et les modèles humains ultérieurs pourraient-ils influencer notre compréhension de la santé et des maladies cardiaques?
L'un est les effets thérapeutiques ou protecteurs de l'activité vagale sur le cœur passant par ces neurones. Si vous pouviez associer l'activité protectrice ou thérapeutique à des neurones et modulateurs spécifiques, vous pourriez l'imiter soit en trouvant les bons paramètres de stimulation, soit en vous nourrissant avec les bonnes manipulations moléculaires.
Une autre étape qui aiderait vraiment à accroître nos efforts pour développer des interventions est de se faire une idée de la dynamique du système. Nous devons développer la façon dont ces parties se déplacent et interagissent avec chacune pour produire une certaine dynamique de réseau.
Lorsque nous développons cette compréhension initiale, cela aiderait à hiérarchiser et à restreindre les possibilités d'intervention au lieu de simplement s'appuyer sur des données instantanées anatomiques statiques. Il s'agit d'un substrat sur lequel des simulations et des modèles dynamiques seront construits.
Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche?
Nous avons exploré la variabilité entre les cœurs chez les hommes et les femmes, un article qui est sur le point d'être fait. Dans une autre direction, nous avons commencé à explorer le montage de ces ensembles de données dans l'échafaudage de l'Institut de bio-ingénierie de Peter Hunter à Auckland.
Nous avons également commencé à construire des modèles dynamiques du système pour examiner les propriétés de contrôle qu'ils présentent et comment ils joueraient dans les circuits avec le système nerveux central. C'est la subvention pour laquelle nous n'avons pas de financement, mais nous espérons qu'elle sera financée le 1er juillet.
Je pense que cet effort SPARC sur le fonds commun du bureau du directeur a été un succès et fait ce qu'il avait l'intention de faire, qui est de commencer à faire non pas un troisième tabouret entre les deux, mais un pont.
Avec un peu de chance, nous allons dans une direction où les différents instituts investiront ensuite pour faire traverser ces ponts aux gens et relier deux domaines disparates pour améliorer la santé humaine d'une manière qui n'était pas possible auparavant.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d'informations?
Lisez l'article iScience ici: https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101140
Portail SPARC: https://sparc.science/
À propos du Dr Vadigepalli
Rajanikanth Vadigepalli, Ph.D., est vice-président de la recherche et professeur de pathologie, d'anatomie et de biologie cellulaire à l'Université Thomas Jefferson.
Le programme de recherche en collaboration du Dr Vadigepalli à l'Institut Daniel Baugh pour la génomique fonctionnelle / biologie computationnelle est stimulé par une convergence de l'ingénierie des systèmes, de la modélisation informatique, de la bioinformatique et de la transcriptomique à une seule cellule, afin d'identifier et de cibler les points de contrôle clés pour une intervention dans la maladie.
Les projets de collaboration internationaux en cours se concentrent sur les circuits neuronaux centraux et périphériques contrôlant le cœur, les processus neuro-immunitaires du tronc cérébral conduisant à l'hypertension, la régénération du foie dans les maladies hépatiques alcooliques et la régulation du destin cellulaire sous-jacents aux défauts de développement.
À propos de Dr. Schwaber
James Schwaber, Ph.D., est directeur de l'Institut Daniel Baugh de génomique fonctionnelle et de biologie computationnelle et professeur de pathologie, d'anatomie et de biologie cellulaire.
Le Dr Schwaber utilise des approches de biologie des systèmes dans le cerveau des mammifères pour étudier les processus neuronaux adaptatifs.
Son intérêt principal est dans la névrose émotionnelle et viscérale et les troubles impliquant cette interaction, y compris ceux liés au stress et au déséquilibre autonome dans les contributions neurogènes à l'hypertension, la dépendance et le retrait de l'état dépendant, et les conditions neurodégénératives, y compris l'épilepsie.