Comment le comportement animal émerge-t-il des réseaux de neurones connectés ? Comment ces incroyables systèmes nerveux et comportements sont-ils réellement générés par l’évolution ? Existe-t-il des principes communs à tous les systèmes nerveux ou l’évolution innove-t-elle constamment ? À quoi ressemblait le premier système nerveux qui a donné naissance à l’incroyable diversité de la vie que nous voyons autour de nous ?
Combinant l’étude du comportement animal avec des études de la forme, de la fonction et de l’évolution du système nerveux, Brandon « Brady » Weissbourd, un nouveau membre du corps professoral du Département de biologie et chercheur à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire, utilise la minuscule méduse transparente Clytia hemisphaerica, un nouveau modèle de neurosciences.
En 2021, vous avez développé un nouvel organisme modèle pour la recherche en neurosciences, la méduse transparente Clytia hemisphaerica. Comment ces méduses répondent-elles aux questions sur les neurosciences, le système nerveux et l’évolution d’une manière que d’autres modèles ne peuvent pas ?
Premièrement, je crois en l’importance de comprendre plus largement le monde naturel et de diversifier les organismes que nous étudions en profondeur. L’une des raisons est de trouver des organismes expérimentalement traitables pour identifier des principes biologiques généralisables – par exemple, nous comprenons la base de la façon dont les neurones « se déclenchent » à partir d’études sur l’axone géant du calmar. Une autre raison est que des percées transformatrices sont venues de l’identification d’innovations évolutives qui existent déjà dans la nature, par exemple, la protéine fluorescente verte (GFP, de méduses) ou CRISPR (de bactéries). Dans les deux sens, cette méduse est un complément précieux aux modèles existants.
J’ai toujours été intéressé par l’intersection de deux types de problèmes : comment les systèmes nerveux génèrent nos comportements ; et comment ces incroyables systèmes ont été créés par l’évolution.
Du côté des neurosciences systémiques, depuis que j’ai travaillé sur le système de la sérotonine pendant mon doctorat. J’ai été fasciné par le problème de savoir comment les animaux contrôlent tous leurs comportements simultanément d’une manière flexible et dépendante du contexte, et comment les choix comportementaux dépendent non seulement des stimuli entrants mais aussi de la façon dont ces stimuli interagissent avec les états constamment changeants du système nerveux et corps. Ce sont des problèmes extrêmement complexes et difficiles, avec le défi particulier des interactions à travers les échelles, de la signalisation chimique et de la biologie cellulaire dynamique aux réseaux de neurones et au comportement.
Pour répondre à ces questions, j’ai voulu évoluer vers un organisme modèle doté d’une capacité expérimentale exceptionnelle.
Il y a eu des percées passionnantes dans les techniques d’imagerie pour les neurosciences, y compris ces incroyables façons dont nous pouvons réellement observer et manipuler l’activité neuronale chez un animal vivant. Donc, la première chose que je voulais était un petit organisme transparent qui permettrait ce genre d’approche optique. Ces méduses font quelques millimètres de diamètre et parfaitement transparentes, avec des comportements intéressants mais des systèmes nerveux relativement compacts. Ils ont des milliers de neurones là où nous en avons des milliards, ce qui les place également à une belle complexité intermédiaire par rapport à d’autres modèles transparents largement utilisés – par exemple, C. elegans a 302 neurones et les larves de poisson zèbre en ont quelque chose comme 100 000 dans le cerveau seul. Ces caractéristiques nous permettront d’examiner l’activité de l’ensemble du système nerveux chez les animaux qui se comportent pour essayer de comprendre comment cette activité donne lieu à des comportements et comment cette activité elle-même découle de réseaux de neurones.
Du côté de l’évolution de notre travail, nous nous intéressons aux origines des systèmes nerveux, à quoi ressemblaient les premiers systèmes nerveux et, en gros, quelles sont les options sur la façon dont les systèmes nerveux sont organisés et fonctionnent : dans quelle mesure il existe des principes versus des systèmes intéressants et innovations potentiellement utiles, et s’il existe des principes, s’ils sont optimaux ou s’ils sont en quelque sorte limités par l’évolution. Notre dernier ancêtre commun avec les méduses et leurs parents (les cnidaires) était quelque chose de similaire au premier système nerveux, donc en comparant ce que nous trouvons chez les cnidaires avec le travail d’autres modèles, nous pouvons faire des inférences sur les origines et l’évolution précoce des systèmes nerveux. Au fur et à mesure que nous explorons ces animaux très divergents, nous découvrons également des innovations évolutives passionnantes : en particulier, ils ont des capacités incroyables pour régénérer leur système nerveux. À l’avenir, il sera passionnant de mieux comprendre comment ces réseaux de neurones sont organisés pour permettre une telle robustesse.
Quel travail est nécessaire pour développer un nouvel organisme comme modèle, et pourquoi avez-vous choisi cette espèce particulière de méduse ?
Si vous choisissez un nouveau modèle animal, il ne s’agit pas seulement de savoir s’il possède les bonnes caractéristiques pour les questions que vous souhaitez poser, mais aussi s’il vous permet techniquement de faire les bonnes expériences. Le modèle que nous utilisons a d’abord été développé par un groupe de recherche en France, qui a passé de nombreuses années à travailler très dur pour comprendre comment cultiver tout le cycle de vie en laboratoire, injecter des œufs et développer d’autres ressources clés. Pour moi, la grande question était de savoir si nous serions capables d’utiliser les outils génétiques que je décrivais plus tôt pour étudier l’activité neuronale. En étroite collaboration avec des collaborateurs en France, notre première étape a consisté à trouver comment insérer des éléments dans le génome de la méduse. Si nous ne pouvions pas comprendre cela, j’allais recommencer à travailler avec des souris. Cela nous a pris environ deux ans de dépannage, mais maintenant nous pouvons générer systématiquement des méduses génétiquement modifiées en laboratoire.
Passer à un nouveau modèle animal est difficile – j’ai une formation en neurosciences de la souris et j’ai rejoint un laboratoire postdoctoral qui utilisait des souris et des mouches; J’étais la seule personne à travailler avec des méduses, mais je n’avais aucune expérience. L’un de mes objectifs est maintenant d’optimiser et de simplifier l’ensemble de ce processus afin que lorsque d’autres laboratoires souhaitent commencer à travailler avec des méduses, nous ayons une plate-forme d’aquaculture simple pour les lancer, même s’ils n’ont aucune expérience.
En plus du fait que ces choses sont minuscules et transparentes, la principale raison pour laquelle nous avons choisi cette espèce particulière est qu’elle a un cycle de vie incroyable qui en fait un animal de laboratoire passionnant.
Ils ont des sexes séparés qui fraient quotidiennement, les œufs fécondés se transformant en larves qui se métamorphosent ensuite en polypes. Nous cultivons ces polypes sur des lames de microscope, où ils forment des colonies que l’on pense immortelles. Ces colonies libèrent alors constamment des méduses, qui sont toutes des « clones » génétiquement identiques pouvant être utilisés pour des expériences. Cela signifie qu’une fois que vous créez une souche génétiquement modifiée, comme une lignée transgénique ou un knock-out, vous pouvez la conserver pour toujours en tant que colonie de polypes – et comme les animaux sont si petits, nous pouvons les cultiver en grand nombre en laboratoire.
Il reste encore énormément de travail fondamental à faire, comme caractériser leur répertoire comportemental et l’organisation de leur système nerveux. Il est choquant de constater à quel point nous en savons peu sur les bases de la biologie des méduses, d’autant plus qu’elles tuent plus de personnes par an que les requins et les raies réunis, et plus nous y réfléchissons, plus il y a de questions.
Qu’est-ce qui vous a attiré vers un poste de professeur au MIT ?
Je voulais être dans un département qui fait de la recherche fondamentale, qui est passionné par la science fondamentale, qui est ouvert d’esprit et qui est très diversifié dans ce sur quoi les gens travaillent et pensent. Mon objectif est également de pouvoir lier à terme les mécanismes au niveau moléculaire et cellulaire au comportement de l’organisme, ce qui est quelque chose qui [the] MIT [Department of] La biologie est particulièrement forte pour faire. Les premiers mois ont été passionnants ! MIT Biology est un endroit tellement incroyable pour faire de la science et c’est merveilleux de voir à quel point tout le monde dans le département a été enthousiaste et solidaire.
J’ai également été attiré par le MIT par la communauté au sens large et j’ai déjà trouvé si facile de démarrer des collaborations avec des personnes en neurosciences, en ingénierie et en mathématiques. Je suis également ravi d’être récemment devenu membre de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire, qui permet davantage ces collaborations d’une manière qui, je pense, sera transformationnelle pour le travail dans mon laboratoire.
C’est un nouveau labo. C’est un nouvel organisme. Il n’y a pas un domaine énorme et bien établi qui adopte ces approches. Il y a tant de choses que nous ne savons pas, et tant de choses que nous devons établir à partir de zéro. Mon objectif est que mon laboratoire ait un sens de l’aventure et du plaisir, et je suis vraiment ravi de le faire ici au MIT Biology.
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.