Résumé: Les chercheurs ont identifié un processus mitochondrial unique dans les neurones CA2 qui soutient l’apprentissage, la mémoire et la reconnaissance sociale. Les mitochondries dans différentes parties de ces neurones varient en structure et en fonction, celles aux synapses les plus externes reposant sur l’uniporteur de calcium mitochondrial (MCU) pour la plasticité.
La suppression du gène MCU a perturbé cette plasticité, mettant en évidence son rôle crucial dans le maintien de la connectivité neuronale. Étant donné que le dysfonctionnement mitochondrial est lié à la maladie d’Alzheimer, à l’autisme et à d’autres troubles neurologiques, cette découverte pourrait aider à expliquer pourquoi certains circuits cérébraux sont vulnérables aux maladies.
L’étude remet également en question l’hypothèse selon laquelle les mitochondries fonctionnent uniformément dans les neurones, ce qui suggère qu’ils s’adaptent en fonction de l’emplacement. La compréhension de ces mécanismes pourrait conduire à de nouvelles thérapies qui protègent ou restaurent la fonction cérébrale.
Faits clés
- Spécialisation mitochondriale: Les neurones CA2 ont des propriétés mitochondriales distinctes à différentes synapses, avec le MCU la plus externe pour la plasticité.
- Lien vers la neurodégénérescence: Le dysfonctionnement de ces mitochondries peut expliquer pourquoi les circuits de Ca2 sont des cibles précoces dans la maladie d’Alzheimer.
- Potentiel thérapeutique: Comprendre comment les mitochondries soutiennent la plasticité neuronale pourraient conduire à des traitements pour les troubles neurologiques comme l’autisme et la maladie d’Alzheimer.
Source: Virginia Tech
Les neuroscientifiques de Virginia Tech ont découvert un processus mitochondrial qui soutient les cellules cérébrales essentielles pour l’apprentissage, la mémoire et la reconnaissance sociale.
Dirigée par Shannon Farris, professeur adjoint au Fralin Biomedical Research Institute de VTC, la recherche en modèles de souris examine la région de Ca2 hippocampique, un domaine spécialisé dans le centre de mémoire du cerveau essentiel à la mémoire de reconnaissance sociale.
Publié cette semaine dans Rapports scientifiquesL’étude révèle le rôle critique de l’Uniporteur de calcium mitochondrial (MCU), une protéine qui régule le flux de calcium dans les mitochondries, pour permettre aux neurones de renforcer les connexions. Ce processus, connu sous le nom de plasticité synaptique, est fondamental pour la fonction cognitive et l’apprentissage adaptatif.
« Nos résultats mettent en évidence un mécanisme mitochondrial distinct qui aide à expliquer le fonctionnement des neurones CA2, ce qui peut contribuer à son rôle dans la cognition sociale et sa vulnérabilité dans certains troubles neurologiques », a déclaré Farris.
Un rôle unique pour la région CA2 dans la mémoire sociale
La région de Ca2 hippocampique est un centre petit mais critique pour la reconnaissance sociale – la capacité de se souvenir et de distinguer les individus. Contrairement aux régions hippocampiques voisines, les neurones CA2 résistent à certaines formes de plasticité synaptique, soulevant des questions intrigantes sur leur fonction spécialisée.
Farris et son équipe ont découvert que les mitochondries dans les neurones CA2 ne sont pas uniformes. Au lieu de cela, leur structure et leur fonction varient en fonction de leur emplacement dans le neurone. Les mitochondries dans les portée les plus éloignées des dendrites des neurones – aux connexions d’entrée synaptique les plus externes – sont hautement spécialisées et dépendent fortement du MCU pour contrôler leur activité.
Pour explorer cela, les chercheurs ont supprimé le gène MCU dans les neurones CA2 de souris génétiquement modifiées. Cela a provoqué une perturbation de la plasticité aux synapses les plus externes, tandis que ceux qui sont plus proches du corps cellulaire n’ont pas été affectés.
« Cela suggère que la diversité mitochondriale n’est pas seulement une bizarrerie biologique », a déclaré Farris. «C’est une caractéristique fondamentale qui permet à différentes parties du même neurone de fonctionner de manière distincte.»
Implications potentielles pour le trouble du spectre autistique d’Alzheimer
Le dysfonctionnement mitochondrial est de plus en plus reconnu comme un contributeur majeur aux troubles neurologiques tels que la maladie d’Alzheimer, l’autisme, la schizophrénie et la dépression.
Les synapses ont besoin de beaucoup d’énergie pour rester connectées et traiter les informations. Lorsque les mitochondries ne fonctionnent pas correctement, elle peut perturber la capacité fonctionnelle de ces canaux de communication cellule-cellule, entraînant des problèmes de pensée et de mémoire.
Il est connu que les synapses les plus à l’extérieur les plus distales sont parmi les premières connexions synaptiques affectées dans la maladie d’Alzheimer. Les résultats suggèrent que la fonction de MCU dans les neurones CA2 peut contribuer à cette faiblesse initiale, ce qui permet de comprendre pourquoi ce circuit est particulièrement sensible à la neurodégénérescence.
« Comprendre pourquoi les mitochondries dans les neurones CA2 sont différentes – et comment elles échouent – pourrait nous aider à concevoir des thérapies pour protéger ou restaurer la fonction dans des régions cérébrales spécifiques », a déclaré Farris.
Au-delà de la maladie d’Alzheimer, l’étude soulève des questions plus larges sur la façon dont la diversité mitochondriale pourrait influencer d’autres troubles neurologiques. La capacité des neurones à affiner les propriétés mitochondriales pourrait être un facteur critique dans la compréhension de l’autisme, où le dysfonctionnement du CA2 pourrait être lié aux déficits sociaux connus qui se produisent dans ce spectre.
Décodage de la fonction mitochondriale dans les circuits neuronaux
Cette étude fait progresser la compréhension de la biologie mitochondriale et surmonte un obstacle technique dans l’évaluation des mitochondries dans les tissus cérébraux denses et divers, ont déclaré les chercheurs.
Utilisant la microscopie électronique et l’intelligence artificielle pour identifier non avec impiération uniquement les mitochondries dendritiques dans la couche synaptique densément emballée, la structure mitochondriale cartographiée de l’équipe de Farris dans les dendrites de neurones CA2 à haute résolution spatiale avec une précision extrême sur les milemeterexpans de tissu.
L’analyse a révélé que les mitochondries déficientes en MCU étaient plus petites et plus fragmentées, un changement structurel qui peut sous-tendre leur capacité altérée à soutenir la fonction synaptique.
Plus largement, l’étude remet en question l’hypothèse de longue date que les mitochondries fonctionnent de la même manière dans toutes les parties du neurone. Au lieu de cela, les neurones peuvent modifier activement les propriétés mitochondriales pour optimiser la fonction à des synapses spécifiques, un concept qui pourrait remodeler notre compréhension de la régulation et de la plasticité de l’énergie neuronale.
« Ces résultats remettent en question l’hypothèse de longue date selon laquelle les mitochondries fonctionnent uniformément au sein des dendrites », a déclaré Katy Pannoni, associée de recherche principale au laboratoire de Farris et au premier auteur de l’étude.
«Au lieu de cela, nos travaux suggèrent que les mitochondries sont fortement spécialisées pour répondre aux besoins distincts des différents circuits neuronaux.»
En appliquant l’intelligence artificielle pour analyser les ensembles de données de microscopie électronique à grande échelle, l’équipe de recherche a quantifié la structure mitochondriale et la distribution entre les circuits à une échelle inaccessible par des méthodes manuelles conventionnelles. Cette nouvelle approche permettra à de futures études d’étudier la fonction mitochondriale avec une plus grande précision et profondeur d’analyse.
L’avenir de la recherche mitochondriale
Cette découverte ouvre de nouvelles voies à considérer pour des thérapies potentielles, en particulier pour les troubles neurologiques où les déficits énergétiques affaiblissent les connexions cérébrales. En révélant comment les mitochondries soutiennent la plasticité neuronale, la recherche de Farris jette les bases de stratégies pour préserver la fonction cérébrale et la neurodégénérescence lente.
Ensuite, son équipe étudiera comment les mitochondries dans les neurones de CA2 développent leurs propriétés spécialisées et s’il existe des adaptations similaires dans d’autres régions cérébrales. Ils visent également à explorer les stratégies thérapeutiques qui pourraient renforcer la santé mitochondriale et protéger les neurones contre les maladies.
« Plus nous comprenons la diversité mitochondriale, plus nous nous rapprochons de déverrouiller la façon dont le cerveau apprend, se souvient et s’adapte – et comment nous pouvons le garder en bonne santé », a déclaré Farris.
Farris est également professeur adjoint au Département de sciences biomédicales et de pathobiologie de Virginia Tech au Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine et au Virginia Tech Carilion School of Medicine Department of Internal Medicine.
Tous les membres de l’équipe font partie du Centre de recherche en neurobiologie du Fralin Biomedical Research Institute.
À propos de ces nouvelles de la recherche de la neuroscience et de la mémoire
Auteur: JOHN PASTOR
Source: Virginia Tech
Contact: John Pastor – Virginia Tech
Image: L’image est créditée à Neuroscience News
Recherche originale: Accès ouvert.
« L’expression du MCU dans les neurones CA2 hippocampiques module la morphologie mitochondriale dendritique et la plasticité synaptique»Par Shannon Farris et al. Rapports scientifiques
Abstrait
L’expression du MCU dans les neurones CA2 hippocampiques module la morphologie mitochondriale dendritique et la plasticité synaptique
Les mitochondries neuronales sont diverses entre les types de cellules et les compartiments subcellulaires afin de répondre aux demandes d’énergie uniques.
Bien que les mitochondries soient essentielles pour la transmission synaptique et la plasticité synaptique, les mécanismes régulant les mitochondries pour soutenir la fonction de synapse normale sont incomplètement comprises.
L’uniporteur de calcium mitochondrial (MCU) est proposé pour coupler l’activité neuronale à la production d’ATP mitochondriale, ce qui permettrait aux neurones de s’adapter rapidement à l’évolution des demandes d’énergie.
Le MCU est uniquement enrichi en dendrites distales d’hippocampe Ca2 par rapport aux dendrites proximales, cependant, la signification fonctionnelle de cet enrichissement spécifique à la couche n’est pas claire.
Les synapses sur les dendrites distales Ca2 expriment facilement la plasticité, contrairement aux synapses résistantes à la plasticité sur des dendrites proximales CA2, mais les mécanismes sous-jacents à ces différents profils de plasticité sont inconnus.
À l’aide d’une souris Knockout MCU spécifique au CA2 (CKO), nous avons constaté que la suppression de MCU altère la plasticité à Distal Dendrite Synapses.
Cependant, les mitochondries étaient plus fragmentées et la zone de la tête de la colonne vertébrale a été diminuée dans les couches dendritiques de souris MCU CKO par rapport aux souris témoins.
Les mitochondries fragmentées pourraient avoir des changements fonctionnels, tels que la production d’ATP altérée, qui pourrait expliquer les déficits structurels et fonctionnels lors des synapses CKO.
Les différences dans l’expression du MCU entre les types de cellules et les circuits peuvent être un mécanisme général pour régler la fonction mitochondriale pour répondre aux exigences synaptiques distinctes.
