Comment la compétition pour la connectivité façonne le cervelet

• Les neurones du cervelet, appelés cellules de Purkinje, jouent un rôle dans la coordination des mouvements.
• Des recherches menées sur des souris suggèrent que les cellules de Purkinje sont en concurrence les unes avec les autres. En battant leurs congénères, elles accélèrent la croissance et multiplient les connexions dans le cerveau.
• Le gène GluD2 pourrait faciliter ce processus.

Dessin des cellules de Purkinje (A) du cervelet de pigeon par Santiago Ramón y Cajal vers 1899.

Source : Instituto Santiago Ramón y Cajal Instituto Santiago Ramón y Cajal/Domaine public

Dans le monde du sport, la compétition facilite les performances de pointe en renforçant la motivation et la détermination d’un athlète à être « meilleur, plus fort et plus rapide » que ses rivaux. De nouvelles recherches menées par l’université de Stanford suggèrent que les interactions compétitives poussent également les cellules de Purkinje dans le cervelet à croître plus rapidement et à établir plus de connexions synaptiques que leurs rivales. Ces résultats(Takeo et al., 2021) sont publiés dans le numéro du 17 février de la revue Neuron.

Les cellules de Purkinje sont les seuls neurones qui ont des projections vers l’extérieur du cortex cérébelleux. Ces neurones de forme unique jouent donc un rôle essentiel dans la coordination des mouvements nécessaires aux activités quotidiennes (par exemple, faire du vélo, conduire une voiture à boîte de vitesses, taper au clavier, etc.

La structure et la connectivité fonctionnelle des cellules de Purkinje sont également essentielles aux prouesses athlétiques et à une mémoire musculaire bien conditionnée dans les sports. Des cellules de Purkinje en bonne santé et dotées d’une connectivité robuste avec d’autres régions du cerveau facilitent la fluidité des performances, tandis que le dysfonctionnement des cellules de Purkinje du cervelet est associé à des problèmes de mouvement et à l’ataxie.(Miterko et al., 2021)

D’un point de vue métacognitif, la découverte récente que la compétition entre les cellules de Purkinje les aide à s’épanouir reflète le rôle que jouent ces neurones en forme d’arbre pour aider les athlètes à triompher de leurs concurrents en se déplaçant avec une précision, une fluidité et une grâce parfaitement synchronisées. (Voir« Nouveaux avantages de la stimulation du cervelet à 13 Hz« ).

Les dernières découvertes sur le cervelet nous éclairent sur la formation des circuits neuronaux et sur la manière dont le cervelet et d’autres régions du cerveau sont reliés par la neuroplasticité. Liqun Luo est l’auteur principal de cette étude ; les coauteurs Yukari Takeo et S. Andrew Shuster ont contribué à parts égales à la recherche.

« Les cellules de Purkinje sont mon premier amour, car ce sont les premiers neurones de mammifères que j’ai étudiés, alors que j’étais encore post-doctorant », a déclaré M. Luo dans un communiqué de presse publié le 11 mars. « Elles ressemblent à de beaux arbres et il existe de nombreux outils génétiques pour les étudier. Selon M. Luo, cette étude répond à de « grandes questions sans réponse », telles que « Comment le cerveau se construit-il ? » et « Comment les circuits neuronaux se forment-ils ? ».

« Imaginez qu’une cellule de Purkinje soit un arbre », ajoute-t-il. « L’étiquetage de cellules individuelles permet d’éclairer un arbre entier dans une forêt dense de neurones, alors que si toutes les cellules de Purkinje sont étiquetées, il est difficile de visualiser l’aspect d’un arbre individuel.

Comment les souris ont révélé le fonctionnement des neurones

Pour cette étude inédite, Luo et les membres de son laboratoire ont utilisé des souris knock-out génétiquement modifiées dépourvues du gène GluD2 et ont comparé le fonctionnement de leurs cellules de Purkinje à celui de souris non knock-out dotées du gène GluD2. Les chercheurs ont également utilisé des modèles informatiques pour simuler la croissance des dendrites et la formation des premières synapses.

Luo et ses coauteurs ont découvert que les branches dendritiques des cellules de Purkinje semblent entrer en compétition les unes avec les autres dans un concours de type « winner take all » pour croître plus rapidement et battre leurs concurrents dans une course à la formation de connexions synaptiques précoces. Les cellules de Purkinje pionnières qui établissent des connexions réussies dès le départ semblent connaître une spirale ascendante qui augmente de façon exponentielle les chances de ce neurone particulier de connaître une croissance dendritique plus rapide et d’établir par la suite de plus en plus de connexions synaptiques.

Les chercheurs ont notamment constaté que les souris dépourvues du gène GluD2 étaient handicapées lorsqu’il s’agissait de croître rapidement et d’établir des connexions synaptiques précoces. Les cellules de Purkinje dépourvues de ce gène avaient une croissance très lente des dendrites au début, ce qui entraînait une morphogenèse des dendrites qui les faisait ressembler non pas à des arbres, mais plutôt à des « pyramides à l’envers ».

À l’inverse, les cellules de Purkinje dotées du gène GluD2 ont prospéré. Comme l’expliquent les auteurs : « Les cellules de Purkinje dotées du gène GluD2 fonctionnel ont pris la forme habituelle d’une boîte, avec des dendrites régulières au bas de l’arbre (croissance précoce) et au sommet (croissance tardive).

« La clé de cette étude réside dans la possibilité de comparer les cellules de Purkinje voisines qui possèdent et ne possèdent pas le gène GluD2 », note Luo. « Cela révèle la concurrence entre les dendrites pour les synapses et la façon dont les dendrites se développent avec des synapses normales ou réduites pour les stabiliser. »

« Nos résultats soutiennent l’hypothèse synaptotrophique aux stades initiaux du développement des dendrites, suggèrent un second mode dans lequel la formation cumulative de synapses inhibe la croissance ultérieure des dendrites, et soulignent l’importance de la compétition dans la morphogenèse des dendrites », concluent les chercheurs.