Résumé: Les chercheurs ont développé des neurones développés en laboratoire qui se comportent davantage comme de véritables réseaux cérébraux, faisant ainsi progresser l’étude de l’apprentissage et de la mémoire. À l’aide de dispositifs microfluidiques, les neurones ont formé des réseaux divers et fonctionnels, ressemblant à ceux observés dans les systèmes nerveux vivants.
Ces réseaux présentaient des modèles d’activité complexes et une plasticité neuronale, se reconfigurant en réponse à une stimulation répétitive. Cette avancée fournit aux scientifiques un nouvel outil puissant pour étudier les fonctions cérébrales dans des conditions de laboratoire contrôlées.
Faits clés
- Réseaux réalistes : Les dispositifs microfluidiques ont permis aux neurones de former des réseaux cérébraux naturels.
- Plasticité neuronale : Des stimulations répétées modifiaient les ensembles neuronaux, imitant les processus d’apprentissage.
- Modèles avancés : Cette technologie peut être utilisée pour étudier la formation de la mémoire et le fonctionnement du cerveau.
Source: Université du Tohoku
« Les neurones qui s’allument ensemble, se connectent ensemble » décrit la plasticité neuronale observée dans le cerveau humain, mais les neurones cultivés dans une assiette ne semblent pas suivre ces règles. Les neurones cultivés in vitro forment des réseaux aléatoires et dénués de sens qui se déclenchent tous ensemble. Ils ne représentent pas avec précision comment un cerveau réel apprendrait, nous ne pouvons donc tirer que des conclusions limitées de leur étude.
Mais et si nous pouvions développer in vitro des neurones qui se comporteraient réellement plus naturellement ?
Une équipe de recherche de l’Université de Tohoku a utilisé des dispositifs microfluidiques pour reconstituer des réseaux neuronaux biologiques dotés d’une connectivité ressemblant à celle trouvée dans le système nerveux des animaux.
Ils ont montré que de tels réseaux présentent des schémas d’activité complexes qui peuvent être « reconfigurés » par des stimulations répétitives. Cette découverte remarquable fournit de nouveaux outils pour étudier l’apprentissage et la mémoire.
Les résultats ont été publiés en ligne dans Technologies des matériaux avancés le 23 novembre 2024.
Dans certaines zones du cerveau, les informations sont codées et stockées sous forme d’« ensembles neuronaux » ou de groupes de neurones qui s’activent ensemble. Les ensembles changent en fonction des signaux d’entrée provenant de l’environnement, qui est considéré comme la base neuronale de la façon dont nous apprenons et mémorisons les choses. Cependant, l’étude de ces processus à l’aide de modèles animaux est difficile en raison de leur structure complexe.
« La raison pour laquelle il est nécessaire de cultiver des neurones en laboratoire est que les systèmes sont beaucoup plus simples », remarque Hideaki Yamamoto (Université du Tohoku). « Les neurones cultivés en laboratoire permettent aux scientifiques d’explorer le fonctionnement de l’apprentissage et de la mémoire dans des conditions hautement contrôlées. Il existe une demande pour que ces neurones soient aussi proches que possible de la réalité.
L’équipe de recherche a créé un modèle spécial à l’aide d’un dispositif microfluidique : une petite puce dotée de minuscules structures 3D. Cet appareil permettait aux neurones de se connecter et de former des réseaux similaires à ceux du système nerveux des animaux. En modifiant la taille et la forme des minuscules tunnels (appelés microcanaux) qui relient les neurones, l’équipe a contrôlé la force avec laquelle les neurones interagissaient.
Les chercheurs ont démontré que les réseaux dotés de microcanaux plus petits peuvent maintenir divers ensembles neuronaux. Par exemple, les neurones in vitro cultivés dans des dispositifs traditionnels avaient tendance à ne présenter qu’un seul ensemble, tandis que ceux cultivés avec des microcanaux plus petits présentaient jusqu’à six ensembles.
De plus, l’équipe a découvert que des stimulations répétées modulent ces ensembles, montrant un processus ressemblant à une plasticité neuronale, comme si les cellules étaient reconfigurées.
Cette technologie des microfluides, associée aux neurones in vitro, pourrait être utilisée à l’avenir pour développer des modèles plus avancés capables d’imiter des fonctions cérébrales spécifiques, comme la formation et le rappel de souvenirs.
A propos de cette actualité de la recherche en neuroplasticité
Auteur: Relations publiques
Source: Université du Tohoku
Contact: Relations publiques – Université du Tohoku
Image: L’image est créditée à Neuroscience News
Recherche originale : Accès libre.
« Contrôle microfluidique de précision des ensembles neuronaux dans les réseaux corticaux cultivés» de Hideaki Yamamoto et al. Technologies des matériaux avancés
Abstrait
Contrôle microfluidique de précision des ensembles neuronaux dans les réseaux corticaux cultivés
La culture neuronale in vitro constitue une plateforme de recherche importante en neurosciences cellulaires et en réseau.
Cependant, les neurones cultivés sur un échafaudage homogène forment des réseaux denses et connectés de manière aléatoire et affichent une activité excessivement synchronisée ; ce phénomène a limité leurs applications dans les études au niveau des réseaux, telles que les études d’ensembles neuronaux ou l’activité coordonnée d’un groupe de neurones.
Ici, des dispositifs microfluidiques à base de polydiméthylsiloxane sont développés pour créer de petits réseaux neuronaux présentant une structure hiérarchiquement modulaire ressemblant à la connectivité observée dans le cortex des mammifères.
La force du couplage intermodulaire est manipulée en faisant varier la largeur et la hauteur des microcanaux qui connectent les modules.
L’enregistrement de l’activité neuronale via l’imagerie calcique montre que l’activité spontanée dans les réseaux comportant des microcanaux plus petits (2,2 à 5,5 µm2) a une synchronie inférieure et présente une triple variété d’ensembles neuronaux.
La stimulation optogénétique démontre qu’une réduction du couplage intermodulaire enrichit les schémas d’activité neuronale évoqués et qu’une stimulation répétée induit une plasticité dans les ensembles neuronaux de ces réseaux.
Ces résultats suggèrent que les technologies d’ingénierie cellulaire basées sur des dispositifs microfluidiques permettent la reconstruction in vitro de la dynamique complexe des ensembles neuronaux, fournissant ainsi une plateforme robuste pour étudier les ensembles neuronaux dans un environnement physicochimique bien défini.
