Le dialogue entre les neurones est d'une importance cruciale pour toutes les activités du système nerveux, de la respiration à la détection, de la pensée à la course. Pourtant, la communication neuronale est si rapide, et à une si petite échelle, qu'il est extrêmement difficile d'expliquer précisément comment elle se produit.
Une observation préliminaire dans le cours de neurobiologie au laboratoire de biologie marine (MBL), activée par un système d'imagerie personnalisé, a conduit à une compréhension claire de la façon dont les neurones communiquent entre eux en modulant le «ton» de leur signal, qui avait auparavant échappé le champ. Le rapport, dirigé par Grant F. Kusick et Shigeki Watanabe de la Johns Hopkins University School of Medicine, est publié cette semaine dans Neuroscience de la nature.
En 2016, Watanabe, alors membre du corps professoral du cours de neurobiologie, a présenté aux étudiants le débat sur le nombre de vésicules synaptiques pouvant fusionner en réponse à un potentiel d'action. Pour sonder cette controverse, ils ont utilisé une technologie d'imagerie « zap-and-freeze » conçue par les co-auteurs M. Wayne Davis, Watanabe et Erik Jorgensen, et construite par Leica pour les tests dans le cours de neurobiologie. Ils ont zappé un neurone avec de l'électricité pour induire un potentiel d'action, puis ont rapidement gelé le neurone et pris une image. Ils ont vu plusieurs vésicules fusionner à la fois dans de nombreuses synapses, la première découverte nouvelle de ce rapport Nature Neuroscience.
Mais il y avait plus. De retour à Johns Hopkins, Kusick et Watanabe ont décidé de parcourir le processus de neurotransmission avec zap-and-freeze, prenant des images toutes les 3 millisecondes après le potentiel d'action. C'est alors qu'ils ont trouvé une réponse à une question encore plus vaste: comment les neurones changent-ils le ton de leur signal de neurotransmission?
A tout moment, seules quelques vésicules synaptiques sont en position «ancrée», c'est-à-dire chargées et prêtes à libérer le neurotransmetteur. Immédiatement après un potentiel d'action, le nombre de vésicules ancrées diminue de 40%, donc après 2 à 3 potentiels d'action, les vésicules ancrées seraient épuisées.
(C'est-à-dire que leur signal ou «voix» deviendrait de plus en plus faible, à mesure que davantage de potentiels d'action seraient induits.) Mais ils ont constaté que, dans les 14 millisecondes suivant un potentiel d'action, de nouvelles vésicules sont rapidement recrutées dans le pool amarré qui peuvent fusionner et libèrent un neurotransmetteur, et ce recrutement est transitoire de telle sorte que la neurotransmission peut être forte ou faible sur une échelle de temps de la milliseconde. C'est le premier regard de près sur la communication neuronale qui s'additionne d'un point de vue temporel.
Cela signifie que nous avons identifié un mécanisme que les neurones utilisent pour communiquer par intonations. Chaque vésicule ancrée est comme un mot que les neurones peuvent utiliser pour communiquer à tout moment. On sait depuis des décennies que les neurones peuvent parler plus de quelques mots à la fois, et ils peuvent également changer le ton de ces mots. La question était de savoir comment. Nous avons montré que les neurones apportent continuellement plus de mots, mais en changeant simplement le nombre de vésicules, ils peuvent élever ou abaisser la voix. Si vous posez une question, vous augmenterez l'intonation à la fin d'une phrase – les neurones le font en modifiant le nombre de vésicules ancrées prêtes à l'emploi. «
Shigeki Watanabe, École de médecine de l'Université Johns Hopkins
La technologie de microscopie électronique « zap and freeze » est la version du 21ème siècle du « freeze slammer » développé par John Heuser, Tom Reese et al., Et utilisé à MBL il y a près de 50 ans pour démontrer comment les neurones communiquent entre eux.
La source:
Laboratoire de biologie marine
Référence du journal:
Kusick G. F., et al. (2020) Les vésicules synaptiques s'ancrent de manière transitoire pour remplir les sites de libération. Neuroscience de la nature. doi.org/10.1038/s41593-020-00716-1.