La formation précoce du développement cellulaire et du réseau améliore la réponse

Lorsqu'il s'agit de former des circuits neuronaux pour l'ingénierie tissulaire ou des applications biomédicales, une nouvelle étude suggère un paramètre clé: les former jeunes.

Les techniques d'entraînement des circuits neuronaux techniques impliquent généralement de les entraîner après que les cellules ont complètement mûri.

En utilisant des neurones sensibles à la lumière dérivés de cellules souches de souris, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont découvert que leur formation tout au long du développement cellulaire précoce et de la formation du réseau conduisait à des améliorations durables des connexions, de la réactivité et de l'expression des gènes du réseau neuronal résultant. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Rapports scientifiques.

C'est comme un vieux chien apprenant de nouvelles astuces contre un jeune chiot. Lorsque nous formons un réseau, si nous le stimulons alors qu'il est encore comme un chiot, nous pouvons obtenir une meilleure réponse à la formation que s'il était déjà mature. « 

Gelson Pagan-Diaz, premier auteur de l'étude et étudiant diplômé, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

L'amélioration de la formation neuronale a de nombreuses applications en bio-ingénierie et en médecine régénérative. Par exemple, l'équipe de l'Illinois espère utiliser des circuits neuronaux entraînés pour contrôler le mouvement et le comportement de machines bio-hybrides miniatures.

Les types d'améliorations apportées par une formation précoce pourraient donner aux machines et aux circuits plus de fonctionnalités et donner aux chercheurs un contrôle plus précis sur ces fonctions.

«À mesure que nous progressons dans le domaine de la construction de machines avec des cellules vivantes, être capable de stimuler et de programmer des cellules et des réseaux neuronaux avec de la lumière au début de leur développement pourrait être un outil important dans notre référentiel d'ingénierie», a déclaré le chef de l'étude Rashid Bashir, professeur de bio-ingénierie. et doyen du Grainger College of Engineering de l'Illinois.

« De plus, ces travaux pourraient avoir des implications pour la biologie du développement, la médecine régénérative et la recherche sur le cerveau. »

Pour entraîner les neurones, les chercheurs ont utilisé des impulsions de lumière chronométrées pour stimuler les cellules. Les chercheurs ont commencé le régime d'entraînement lorsque les cellules étaient au début de leur développement – des grappes de cellules souches, appelées corps embryoïdes, préparées à devenir des motoneurones. Ils ont continué la formation au fur et à mesure que les cellules se différenciaient, devenant des neurones pleinement matures, et l'ont continué après avoir transféré les cellules sur des plaques pour se connecter et former des circuits neuronaux.

Ils ont ensuite comparé les premiers circuits formés avec ceux cultivés en premier et formés plus tard – la méthode habituelle.

Les chercheurs ont vu un certain nombre de différences entre les groupes, a déclaré Pagan-Diaz. Dans les neurones entraînés pendant le développement, ils ont vu plus d'extensions indiquant des connexions entre les cellules, une augmentation des paquets de neurotransmetteurs envoyés entre les cellules et un déclenchement nerveux plus structuré, indiquant une plus grande stabilité du réseau. Les effets de l'entraînement précoce ont été durables, tandis que les cellules entraînées plus tard avaient tendance à avoir des réponses transitoires.

« Vous pouvez penser que les neurones sont comme des athlètes à l'entraînement », a déclaré Pagan-Diaz. « La stimulation lumineuse était comme un entraînement régulier pour les neurones – ils étaient plus forts et plus sportifs et faisaient mieux leur travail. »

Pour déterminer la base sous-jacente de ces changements, les chercheurs ont analysé l'activité génétique des neurones. Ils ont vu une augmentation de l'expression des gènes pour les gènes liés à la maturité du réseau et à la fonction neurale, indiquant que la formation précoce aurait pu modifier de manière permanente les voies génétiques au fur et à mesure que les cellules se développaient, a déclaré Bashir.

Les chercheurs continuent d'explorer les types d'activités qui pourraient être améliorées ou programmées par un entraînement précoce des neurones dans la phase du corps embryoïde. Les corps embryoïdes pourraient être des composants de base utiles pour les machines biologiques, a déclaré Pagan-Diaz, et sont également prometteurs pour la médecine régénérative.

«Des études antérieures ont montré que des corps embryoïdes avec des motoneurones implantés chez des souris qui avaient été blessées pouvaient améliorer la régénération des tissus», a déclaré Pagan-Diaz.

« Si nous pouvons améliorer ou améliorer la fonctionnalité de ces corps embryoïdes avant de les mettre dans un modèle blessé, alors théoriquement, nous pourrions améliorer la récupération au-delà de ce qui a été vu en les injectant et en les stimulant ensuite. »

La source:

Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

Référence du journal:

Pagan-Diaz, G. J., et al. (2020) Moduler l'électrophysiologie des réseaux de neurones moteurs via la stimulation optogénétique pendant la neurogenèse et la synaptogenèse. Rapports scientifiques. doi.org/10.1038/s41598-020-68988-y.

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