Des chercheurs de l’Université de Kyushu ont développé une technique innovante pour mesurer simultanément de manière non invasive deux signaux clés, la tension membranaire et les niveaux de calcium intracellulaire, dans les neurones d’animaux éveillés. Cette nouvelle méthode offre une compréhension plus complète du fonctionnement des neurones, révélant que ces deux signaux codent des informations différentes pour les stimuli sensoriels. La recherche a été publié dans Biologie des communications le 16 septembre 2024.
Les neurones sont des cellules qui agissent comme les éléments fondamentaux du cerveau, transmettant des informations par le biais de signaux électriques. Lorsqu’un neurone reçoit un stimulus, les changements de tension membranaire (la charge électrique à travers la membrane cellulaire du neurone) déclenchent l’activation du neurone, provoquant la propagation de changements rapides de tension membranaire le long du neurone sous forme de signal électrique. Ces changements dans la tension membranaire entraînent ensuite des changements dans le calcium intracellulaire (niveaux de calcium à l’intérieur des neurones).
Historiquement, la mesure de la tension membranaire impliquait des techniques invasives utilisant des électrodes. Comme alternative non invasive, les scientifiques ont développé des techniques pour mesurer l’activité du calcium en utilisant des protéines fluorescentes sensibles aux ions calcium comme capteurs, fournissant ainsi un indicateur indirect de l’activité neuronale. Cependant, ces différentes méthodes signifient que les deux signaux ont presque toujours été étudiés séparément, ce qui rend difficile la compréhension de leur interaction en temps réel et l’identification de leurs fonctions distinctes chez les animaux vivants.
Aujourd’hui, de nouveaux progrès dans le développement de protéines fluorescentes qui répondent aux changements de tension membranaire signifient que les capteurs d’ions calcium et les capteurs de tension membranaire peuvent être utilisés simultanément.
« La mesure simultanée des ions calcium intracellulaires et de la tension membranaire peut nous aider à comprendre comment les neurones codent les informations pour le traitement sensoriel dans les circuits neuronaux », explique le professeur Takeshi Ishihara, auteur principal de la faculté des sciences de l’université de Kyushu.
En collaboration avec la Faculté d’informatique et d’ingénierie des systèmes de l’Institut de technologie de Kyushu, Ishihara et ses collègues ont développé une méthode permettant de mesurer simultanément le calcium intracellulaire et la tension membranaire dans les neurones d’animaux vivants. En capturant des images au microscope à une vitesse élevée de 250 images par seconde et en utilisant un traitement d’image de pointe, les chercheurs ont pu détecter de petites et rapides fluctuations de l’intensité de fluorescence des capteurs d’ions calcium et des capteurs de tension à membrane.
En utilisant cette technique nouvellement développée, les scientifiques se sont concentrés sur la façon dont les neurones olfactifs de Caenorhabditis elegans – de minuscules nématodes couramment utilisés comme organisme modèle dans la recherche en neurosciences – réagissent aux substances odorantes.
Les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils étaient exposés à des odeurs, ces neurones modifiaient leur tension membranaire et leurs niveaux de calcium intracellulaire. Il est important de noter que l’équipe de recherche a révélé pour la première fois que ces signaux codent des informations distinctes. Alors que la tension membranaire indiquait la présence d’une odeur, les niveaux de calcium intracellulaire reflétaient la concentration de l’odeur. En mesurant simultanément les deux signaux, les chercheurs ont pu mieux comprendre comment le cerveau traite et distingue les entrées sensorielles.
De plus, les auteurs ont identifié deux canaux ioniques essentiels au changement des tensions membranaires déclenché par la stimulation sensorielle. L’équipe a également découvert qu’une protéine appelée ODR-3, impliquée dans la transmission du signal dans les neurones, joue un rôle important dans la stabilisation de la tension membranaire. Cela empêche les neurones de se déclencher de manière inappropriée en réponse à des stimuli non pertinents et régule le moment et l’ampleur des réponses aux odeurs.
À l’avenir, des mesures simultanées de la tension membranaire et du calcium intracellulaire pourraient également être obtenues dans les neurones d’animaux plus complexes ou dans d’autres types de neurones, révélant potentiellement des informations sur le codage de l’information dans les circuits neuronaux.
Partageant ses réflexions finales, Ishihara déclare : « Ces mesures simultanées à grande vitesse révèlent les différentes fonctions de la tension membranaire et des signaux d’ions calcium intracellulaires induits par les stimuli sensoriels. Ces résultats pourraient conduire à une meilleure compréhension du traitement sensoriel dans le système nerveux central. , non seulement dans des systèmes modèles simples comme les nématodes, mais aussi dans des organismes supérieurs. »
Plus d’informations :
Terumasa Tokunaga et al, Mécanisme de perception sensorielle dévoilé par mesure simultanée de la tension membranaire et du calcium intracellulaire, Biologie des communications (2024). DOI : 10.1038/s42003-024-06778-2