Depuis près de 50 ans, un poisson sans mâchoire appelé la lamproie intéresse les scientifiques en raison de sa remarquable capacité à se remettre de blessures à la moelle épinière. UN nouvelle étude révèle une technique possible que les lamproies peuvent utiliser pour nager à nouveau, malgré une régénération neurale clairsemée.
Christina Hamlet de l’Université Bucknell et ses collaborateurs, dont Jennifer R. Morgan du Marine Biological Laboratory (MBL), ont utilisé un modèle mathématique pour démontrer comment les lamproies peuvent utiliser la rétroaction de détection corporelle pour retrouver leurs capacités de nage après une blessure à la colonne vertébrale. L’étude pourrait inspirer de nouvelles approches thérapeutiques chez l’homme ou des algorithmes de locomotion chez les robots mous. Le papier est publié dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
« La punchline de l’article est que même en l’absence de commande descendante à travers ce [spinal] lésion, vous pouvez stimuler la rétroaction sensorielle et restaurer la locomotion », a déclaré Morgan, scientifique principal du MBL et directeur du centre Eugene Bell du MBL pour la biologie régénérative et l’ingénierie tissulaire.
Contrairement aux humains et aux autres mammifères, les lamproies se rétablissent rapidement et presque complètement, même après de graves lésions situées en haut de la moelle épinière. Morgan a précédemment découvert que bien que la régénération neurale aide à la récupération chez les lamproies, elle ne raconte pas toute l’histoire. Seul un petit pourcentage des neurones et des connexions neuronales sont restaurés à travers une lésion médullaire, ils doivent donc utiliser un autre mécanisme.
« J’avais toutes ces questions sur la façon dont cela pourrait éventuellement fonctionner. Comment pourriez-vous obtenir un système nerveux fonctionnel avec quelques petites connexions clairsemées? » a demandé Morgane.
Les scientifiques avaient émis l’hypothèse que les lamproies pourraient utiliser la rétroaction de détection corporelle (appelée proprioception ou kinesthésie) pour guider leurs mouvements en plus des connexions neuronales descendantes dans la moelle épinière. Morgan avait contacté pour en discuter avec un vieil ami à elle de MBL, Eric Tytell, professeur agrégé de biologie à l’Université Tufts et ancien chercheur du MBL Whitman Center. Eric collaborait déjà avec Lisa Fauci, professeure de mathématiques à l’Université de Tulane, et Christina Hamlet, qui était postdoc co-mentorée à Tulane.
Le modèle le plus biologiquement plausible d’une lésion vertébrale de lamproie montre comment ils pourraient utiliser la kinesthésie (proprioception) pour retrouver leur capacité à nager. Crédit : De Christina Hamlet et al, PNAS2023, DOI : 10.1073/pnas.2213302120.
Tytell, Fauci et Hamlet utilisaient des modèles mathématiques pour imiter le mouvement des lamproies. Ils se sont associés pour « voir si nous pouvions modéliser certains des effets de la rétroaction sensorielle sur le comportement de nage des lamproies », a déclaré Hamlet, qui est actuellement professeur adjoint de mathématiques à l’Université Bucknell.
L’équipe a commencé à jouer avec différents scénarios de lamproies blessées à la colonne vertébrale, y compris des scénarios biologiquement plausibles et invraisemblables, qui ne supposaient aucune régénération neurale à travers la lésion de la moelle épinière. C’est l’utilité de la modélisation, a déclaré Hamlet, « Nous pouvons casser des choses que vous ne pouvez pas casser en biologie. » Le modèle a pris en compte les courbes et l’étirement créés dans le corps au-dessus de la lésion et a envoyé cette information au reste du corps à travers les muscles, et non la moelle épinière.
Même avec une quantité modérée de rétroaction sensorielle, les modèles ont montré une récupération surprenante des schémas de nage dans les modèles biologiquement plausibles. Une rétroaction sensorielle plus forte a conduit à une amélioration encore plus grande.
Parce que les lamproies repoussent certains de leurs neurones après une lésion et ont donc une commande descendante du cerveau pour conduire le mouvement, elles peuvent avoir besoin d’encore moins de rétroaction sensorielle que le modèle. L’équipe espère ajouter la régénération neuronale dans le modèle et tester comment cela affecte le mouvement et interagit avec la rétroaction sensorielle.
« Si vous disposez d’un bon modèle de calcul, vous pouvez passer par bien plus de scénarios de manipulations que ce qui est pratique avec l’expérimentation », a déclaré Morgan.
L’équipe espère que cette étude et les recherches futures contribueront aux thérapies pour les humains souffrant de lésions de la colonne vertébrale et de maladies affectant le mouvement. Les interfaces cerveau-machine et les dispositifs de stimulation commencent à intégrer la rétroaction de détection du corps pour créer des mouvements plus fluides après une blessure, et cette recherche pourrait éclairer la quantité et le type de rétroaction dont les humains ont besoin.
« Que vous soyez un animal comme une lamproie qui [recovers] spontanément ou un humain qui a besoin de recevoir un médicament ou un appareil de stimulation électrique, arriver au point où vous avez quelques choses au bon endroit, puis réutiliser ce qui est déjà là devrait être plus réalisable que d’essayer de récapituler le schéma original identique de connexions synaptiques et croissance », a déclaré Morgan.
Plus d’information:
Christina Hamlet et al, L’amplification de la rétroaction proprioceptive restaure une locomotion efficace dans un modèle neuromécanique de lamproies atteintes de lésions de la colonne vertébrale, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2213302120