Un signal unique en son genre a été détecté dans le cerveau humain : ScienceAlert

Les scientifiques ont identifié une forme unique de messagerie cellulaire se produisant dans le cerveau humain, révélant à quel point nous avons encore à apprendre sur son mystérieux fonctionnement interne.

Fait intéressant, cette découverte laisse entendre que nos cerveaux pourraient être des unités de calcul encore plus puissantes que nous ne le pensions.

En 2020, des chercheurs d’instituts allemands et grecs ont signalé un mécanisme dans les cellules corticales externes du cerveau qui produit à lui seul un nouveau signal « gradué », qui pourrait fournir aux neurones individuels un autre moyen d’accomplir leurs fonctions logiques.

En mesurant l’activité électrique dans des sections de tissus prélevés lors d’une intervention chirurgicale sur des patients épileptiques et en analysant leur structure à l’aide de la microscopie à fluorescence, les neurologues ont découvert que les cellules individuelles du cortex utilisaient non seulement les ions sodium habituels pour « tirer », mais également le calcium.

Cette combinaison d’ions chargés positivement a déclenché des ondes de tension jamais vues auparavant, appelées potentiels d’action dendritiques médiés par le calcium, ou dCaAP.

Les cerveaux – en particulier ceux de type humain – sont souvent comparés aux ordinateurs. L’analogie a ses limites, mais à certains niveaux, ils accomplissent des tâches de manière similaire.

Tous deux utilisent la puissance d’une tension électrique pour effectuer diverses opérations. Dans les ordinateurs, cela se présente sous la forme d’un flux plutôt simple d’électrons traversant des intersections appelées transistors.

Dans les neurones, le signal se présente sous la forme d’une vague de canaux d’ouverture et de fermeture qui échangent des particules chargées telles que le sodium, le chlorure et le potassium. Cette impulsion de flux d’ions est appelée un potentiel d’action.

Au lieu de transistors, les neurones gèrent ces messages chimiquement au bout de branches appelées dendrites.

« Les dendrites sont essentielles à la compréhension du cerveau car elles sont au cœur de ce qui détermine la puissance de calcul de chaque neurone », a déclaré un neuroscientifique à l’Université Humboldt. Matthew Larkum a dit à Walter Beckwith à l’Association américaine pour l’avancement de la science en janvier 2020.

Les dendrites sont les feux de signalisation de notre système nerveux. Si un potentiel d’action est suffisamment important, il peut être transmis à d’autres nerfs, qui peuvent bloquer ou transmettre le message.

C’est le fondement logique de notre cerveau – des ondulations de tension qui peuvent être communiquées collectivement sous deux formes : soit une ET message (si x et y sont déclenchés, le message est transmis) ; ou un OU message (si x ou y est déclenché, le message est transmis).

On peut soutenir que cela n’est nulle part plus complexe que dans la partie externe dense et ridée du système nerveux central humain ; le cortex cérébral. Les deuxième et troisième couches plus profondes sont particulièrement épaisses et remplies de branches qui remplissent des fonctions de haut niveau que nous associons à la sensation, à la pensée et au contrôle moteur.

Ce sont les tissus de ces couches que les chercheurs ont examinés de près, connectant les cellules à un dispositif appelé patch-clamp somatodendritique pour envoyer des potentiels actifs de haut en bas de chaque neurone, enregistrant leurs signaux.

« Il y a eu un moment d’eurêka lorsque nous avons vu pour la première fois les potentiels d’action dendritiques », dit Larkum.

Pour s’assurer que les découvertes n’étaient pas propres aux personnes épileptiques, ils ont revérifié leurs résultats sur une poignée d’échantillons prélevés sur des tumeurs cérébrales.

Alors que l’équipe avait mené des expériences similaires sur les ratsles types de signaux qu’ils ont observés bourdonnant à travers les cellules humaines étaient très différents.

Plus important encore, lorsqu’ils ont administré aux cellules un inhibiteur des canaux sodiques appelé tétrodotoxine, ils ont quand même trouvé un signal. Ce n’est qu’en bloquant le calcium que tout s’est calmé.

Trouver un potentiel d’action médié par le calcium est assez intéressant. Mais la modélisation de la manière dont ce nouveau type de signal sensible fonctionnait dans le cortex a révélé une surprise.

En plus de la logique ET et OU-fonctions de type, ces neurones individuels pourraient agir comme ‘exclusif’ OU (XOR) carrefoursqui n’autorisent un signal que lorsqu’un autre signal est classé d’une manière particulière.

« Traditionnellement, le XOR on a pensé que l’opération nécessitait une solution réseau, » les chercheurs ont écrit.

Des travaux supplémentaires doivent être effectués pour voir comment les dCaAP se comportent dans des neurones entiers et dans un système vivant. Sans oublier s’il s’agit d’une chose humaine ou si des mécanismes similaires ont évolué ailleurs dans le règne animal.

La technologie s’inspire également de notre propre système nerveux pour développer un meilleur matériel ; savoir que nos propres cellules individuelles ont quelques atouts supplémentaires dans leur sac pourrait conduire à de nouvelles façons de mettre en réseau les transistors.

La manière exacte dont ce nouvel outil logique intégré dans une seule cellule nerveuse se traduit par des fonctions supérieures est une question à laquelle les futurs chercheurs devront répondre.

Cette recherche a été publiée dans Science.

Une version antérieure de cet article a été publiée en janvier 2020.