Les signaux électriques qui rendent le cerveau humain unique

Les neurones du cerveau humain reçoivent des signaux électriques de milliers d'autres cellules. De longues extensions neuronales appelées dendrites jouent un rôle essentiel dans l'intégration de toutes ces informations afin que les cellules puissent réagir correctement.

En utilisant des échantillons de tissu cérébral humain difficiles à obtenir, les neuroscientifiques du MIT ont découvert que les dendrites humaines ont des propriétés électriques différentes de celles des autres espèces. Leurs études révèlent que les signaux électriques s’affaiblissent davantage à mesure qu’ils se propagent le long des dendrites humaines, ce qui entraîne un degré plus élevé de compartimentation électrique, ce qui signifie que de petites sections de dendrites peuvent se comporter indépendamment du reste du neurone.

Selon les chercheurs, ces différences pourraient contribuer à augmenter la puissance de calcul du cerveau humain.

«Les humains ne sont pas seulement intelligents parce que nous avons plus de neurones et un cortex plus grand. De bas en haut, les neurones se comportent différemment », déclare Mark Harnett, professeur adjoint de recherche sur le développement de carrière chez Fred et Carole Middleton, spécialiste des sciences du cerveau et de la cognition. "Dans les neurones humains, il y a plus de compartimentation électrique, ce qui permet à ces unités d'être un peu plus indépendantes, ce qui pourrait potentiellement augmenter les capacités de calcul des neurones individuels."

Harnett, également membre de l'Institut de recherche sur le cerveau McGovern du MIT, et Sydney Cash, professeur adjoint de neurologie à la Harvard Medical School et au Massachusetts General Hospital, sont les auteurs principaux de l'étude, qui paraîtra dans l'édition du 18 octobre du Cellule. L’auteur principal du document est Lou Beaulieu-Laroche, une étudiante de troisième cycle du Département des sciences du cerveau et de la cognition du MIT.

Calcul neuronal

Les dendrites peuvent être considérés comme analogues aux transistors d'un ordinateur, effectuant des opérations simples à l'aide de signaux électriques. Les dendrites reçoivent les informations de nombreux autres neurones et transmettent ces signaux au corps cellulaire. S'il est suffisamment stimulé, un neurone déclenche un potentiel d'action – une impulsion électrique qui stimule ensuite d'autres neurones. De grands réseaux de ces neurones communiquent les uns avec les autres pour générer des pensées et des comportements.

La structure d'un seul neurone ressemble souvent à un arbre, avec de nombreuses branches apportant des informations qui arrivent loin du corps cellulaire. Des recherches antérieures ont montré que la force des signaux électriques arrivant au corps de la cellule dépend en partie de la distance qu’ils parcourent le long de la dendrite pour s’y rendre. À mesure que les signaux se propagent, ils s'affaiblissent. Ainsi, un signal qui arrive loin du corps de la cellule a moins d'impact qu'un signal qui arrive près du corps de la cellule.

Les dendrites dans le cortex du cerveau humain sont beaucoup plus longs que ceux du rat et de la plupart des autres espèces, car le cortex humain est devenu beaucoup plus épais que celui des autres espèces. Chez l'homme, le cortex représente environ 75% du volume total du cerveau, contre environ 30% dans le cerveau du rat.

Bien que le cortex humain soit deux à trois fois plus épais que celui du rat, il conserve la même organisation globale, constitué de six couches distinctes de neurones. Les neurones de la couche 5 ont des dendrites assez longs pour atteindre la couche 1, ce qui signifie que les dendrites humaines ont dû s'allonger au fur et à mesure de l'évolution du cerveau humain et que les signaux électriques doivent voyager encore plus loin.

Dans la nouvelle étude, l’équipe du MIT souhaitait étudier la manière dont ces différences de longueur pourraient affecter les propriétés électriques des dendrites. Ils ont pu comparer l'activité électrique des dendrites humaines et de rat à l'aide de petits morceaux de tissu cérébral prélevés sur des patients atteints d'épilepsie et ayant subi l'ablation chirurgicale d'une partie du lobe temporal. Pour atteindre la partie malade du cerveau, les chirurgiens doivent également retirer une petite partie du lobe temporal antérieur.

Avec l'aide de Cash, Matthew Frosch, Ziv Williams et Emad Eskandar, collaborateurs de l'HGM, le laboratoire de Harnett a pu obtenir des échantillons du lobe temporal antérieur, chacun de la taille d'un ongle.

Les preuves suggèrent que le lobe temporal antérieur n'est pas affecté par l'épilepsie et que le tissu semble normal lorsqu'il est examiné avec des techniques neuropathologiques, explique Harnett. Cette partie du cerveau semble être impliquée dans une variété de fonctions, y compris le traitement du langage et le traitement visuel, mais n'est pas critique pour une fonction en particulier; les patients sont capables de fonctionner normalement après son retrait.

Une fois le tissu retiré, les chercheurs l'ont placé dans une solution très semblable au liquide céphalo-rachidien, traversée par de l'oxygène. Cela leur a permis de garder les tissus en vie pendant 48 heures. Au cours de cette période, ils ont utilisé une technique appelée électrophysiologie patch-clamp pour mesurer la manière dont les signaux électriques voyagent le long des dendrites des neurones pyramidaux, qui sont le type de neurones excitateurs le plus courant dans le cortex.

Ces expériences ont été réalisées principalement par Beaulieu-Laroche. Le laboratoire de Harnett (et d’autres) a déjà réalisé ce type d’expérience sur les dendrites de rongeurs, mais son équipe est la première à analyser les propriétés électriques des dendrites humaines.

Caractéristiques uniques

Les chercheurs ont découvert que, du fait que les dendrites humaines couvrent de plus grandes distances, un signal circulant le long d'une dendrite humaine de la couche 1 au corps cellulaire de la couche 5 est beaucoup plus faible lorsqu'il arrive qu'un signal passant le long d'une dendrite de rat de la couche 1 à la couche 5

Ils ont également montré que les dendrites humaines et de rat ont le même nombre de canaux ioniques, qui régulent le flux de courant, mais que ces canaux apparaissent à une densité inférieure dans les dendrites humaines en raison de l'élongation des dendrites. Ils ont également mis au point un modèle biophysique détaillé qui montre que ce changement de densité peut expliquer certaines des différences d’activité électrique observées entre les dendrites de rat et d’homme, explique Harnett.

Nelson Spruston, directeur principal des programmes scientifiques du campus Janelia Research du Howard Hughes Medical Institute, a qualifié l'analyse des chercheurs sur les dendrites humaines de «réalisation remarquable».

«Ce sont les mesures les plus minutieusement détaillées à ce jour des propriétés physiologiques des neurones humains», déclare Spruston, qui n'a pas participé à la recherche. «Ce type d’expérimentation est très exigeant sur le plan technique, même chez la souris et le rat. Du point de vue technique, c’est assez étonnant qu’ils aient fait cela chez l’homme.»

La question demeure, comment ces différences affectent-elles le cerveau humain? L’hypothèse de Harnett est que, du fait de ces différences, qui permettent à plus de régions d’une dendrite d’influencer la force d’un signal entrant, des neurones individuels peuvent effectuer des calculs plus complexes sur les informations.

«Si vous avez une colonne corticale avec un morceau de cortex humain ou de rongeur, vous pourrez effectuer plus de calculs plus rapidement avec l’architecture humaine, comparé à l’architecture des rongeurs», explique-t-il.

Harnett ajoute qu'il existe de nombreuses autres différences entre les neurones humains et ceux d'autres espèces, ce qui rend difficile la détermination des effets des propriétés électriques dendritiques. Lors de futures études, il espère explorer plus avant l'impact précis de ces propriétés électriques et leur interaction avec d'autres caractéristiques uniques des neurones humains afin de produire davantage de puissance de calcul.

Cet article a été republié à partir de documents fournis par le MIT. Remarque: le contenu peut avoir été modifié pour la longueur et le contenu. Pour plus d'informations, veuillez contacter la source citée.

Référence: Beaulieu-Laroche, L., Toloza, E.H.S., Goes, M.-S. van der, Lafourcade, M., Barnagian, D., Williams, Z. M.,… Harnett, M. T. (2018). Compartimentation Dendritique Améliorée Dans Les Neurones Corticaux Humains. Cell, 175 (3), 643 à 651.e14. https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.08.045