De nouvelles recherches ont montré que les neurones des primates adultes (à gauche) ont deux à cinq fois moins de synapses dans le cortex visuel que les souris (à droite). Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Wildenberg et al.
Une étude analysant les synapses individuelles chez les macaques et les souris montre que les neurones des primates ont deux à cinq fois moins de synapses que les souris dans le cortex visuel.
Une étude du laboratoire national UChicago et Argonne analysant plus de 15,000 Les synapses individuelles chez les macaques et les souris ont révélé que les neurones des primates ont deux à cinq fois moins de synapses dans le cortex visuel que les souris – et la différence peut être due au coût métabolique du maintien des synapses.
Les primates sont généralement considérés comme plus intelligents que les souris. Mais dans une découverte surprenante, des chercheurs en neurosciences du Université de Chicago et Argonne National Laboratory ont découvert que les souris ont en fait plus de synapses connectant les neurones dans leur cerveau.
Dans une étude comparant les cerveaux de macaques et de souris au niveau synaptique, les chercheurs ont découvert que les primates avaient beaucoup moins de synapses par neurone que les rongeurs, à la fois dans les neurones excitateurs et inhibiteurs de la couche 2/3 du cortex visuel primaire. À l’aide d’une modélisation de réseau de neurones récurrents artificiels, l’équipe a en outre pu déterminer que le coût métabolique de la construction et du maintien des synapses rend probablement les réseaux de neurones plus larges plus clairsemés, comme on le voit chez les primates par rapport aux neurones de souris. Les résultats ont été publiés en septembre 14, 2021, dans Rapports de cellule.
L’équipe de recherche, composée de scientifiques des laboratoires de David Freedman, Ph.D., à UChicago et Narayanan “Bobby” Kasthuri, MD, à Argonne, a tiré parti des progrès récents de la microscopie électronique, ainsi que des ensembles de données disponibles publiquement existants, pour comparer la connectivité des deux espèces. Ils ont choisi d’examiner à la fois les synapses excitatrices et inhibitrices, car la plupart des recherches précédentes s’étaient concentrées uniquement sur les synapses excitatrices. Se concentrer sur la couche 2/3 Les neurones du cortex visuel primaire de l’adulte ont facilité la comparaison entre les espèces, car ces neurones ont des morphologies distinctes qui sont similaires chez les primates et les souris.
Après avoir reconstruit les images de microscopie et mesuré les formes de 107 neurones macaques et 81 neurones de souris, les chercheurs ont identifié près de 6,000 synapses dans les échantillons de macaques et plus 9,700 synapses dans les échantillons de souris. En comparant les ensembles de données, ils ont découvert que les neurones de primates reçoivent deux à cinq fois moins de connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices que les neurones de souris similaires.
“La raison pour laquelle c’est surprenant est qu’il y a ce genre d’hypothèse tranquille parmi les neuroscientifiques et, je pense, les gens en général qu’avoir plus de connexions neuronales signifie que vous êtes plus intelligent », a déclaré Gregg Wildenberg, Ph.D., un scientifique du personnel. dans le laboratoire Kasthuri.“Ce travail montre clairement que s’il y a plus de connexions totales dans le cerveau des primates dans l’ensemble parce qu’il y a plus de neurones, si vous regardez par neurone, les primates ont en fait moins de synapses. Mais nous savons que les neurones de primates peuvent effectuer des calculs que les neurones de souris ne peuvent pas effectuer. Cela soulève des questions intéressantes, telles que quelles sont les ramifications de la construction d’un réseau neuronal plus large, comme ceux observés chez les primates ? »
Après avoir découvert cette découverte surprenante, Wildenberg s’est connecté avec Matt Rosen, un étudiant diplômé du Freedman Lab, espérant que Rosen pourrait apporter son expertise informatique pour mieux comprendre l’écart dans le nombre de synapses et sa cause possible.
“Nous nous attendons depuis toujours à ce que la densité des synapses chez les primates soit similaire à celle observée chez les rongeurs, ou peut-être même plus élevée car il y a plus d’espace et plus de neurones dans le cerveau des primates », a déclaré Rosen.“À la lumière de la découverte surprenante de Gregg, nous avons réfléchi aux raisons pour lesquelles les neurones des primates établiraient moins de connexions que prévu. Et nous avons pensé que cela était peut-être motivé par des forces évolutives – que peut-être les coûts énergétiques associés au maintien d’un cerveau pourraient être à l’origine de cette différence. Nous avons donc développé des modèles de réseaux de neurones artificiels et les avons entraînés à effectuer des tâches tout en leur donnant des contraintes inspirées des coûts métaboliques auxquels sont confrontés les cerveaux réels, pour voir comment cela affecte la connectivité qui survient dans les réseaux qui en résultent. »
La modélisation a considéré deux coûts métaboliques potentiels : le coût des signaux électriques individuels envoyés par les neurones, appelés potentiels d’action, qui sont énergétiquement très coûteux, et le coût de construction et d’entretien des synapses entre différentes cellules. Ce qu’ils ont découvert, c’est qu’à mesure que le nombre de neurones augmentait dans le réseau, les contraintes métaboliques croissantes rendaient plus difficile la création et le maintien des connexions entre les cellules, entraînant une réduction de la densité des synapses.
“Le cerveau n’est qu’à propos 2.5% de notre masse corporelle totale, mais nécessite environ 20% de l’énergie totale du corps », a déclaré Wildenberg.“C’est un organe très coûteux. On pense que la majorité de cette énergie est dépensée sur les synapses, à la fois dans l’énergie pour communiquer à travers les synapses mais aussi pour les construire et les entretenir. Au fur et à mesure que le cerveau grossit, avec plus de neurones, il y aura probablement des compromis, métaboliquement parlant. »
Les résultats, disent les chercheurs, aideront à éclairer les futures recherches sur les primates et les souris, ainsi que les comparaisons entre les deux.“Fondamentalement, je pense que tous les neuroscientifiques veulent comprendre ce qui fait de nous des humains – ce qui nous sépare des autres primates et des souris », a déclaré Wildenberg.“Nous travaillons sur la connectomique, qui se concentre sur la compréhension de la neuroanatomie au niveau des connexions individuelles. Avant cela, il n’avait pas été bien décrit s’il y avait des différences au niveau des connexions qui pourraient nous donner des indices sur la façon dont l’évolution construit différents types de cerveaux. Chaque cerveau est constitué de neurones, et chaque neurone se connecte et communique avec d’autres neurones de manière stéréotypée. Comment l’évolution fonctionne-t-elle dans ces contraintes pour construire différents types de cerveaux ? Vous devez étudier les souris, les primates et un tas d’autres espèces pour vraiment commencer à comprendre ce qui se passe ici.
Rosen souligne également que comprendre les différences entre les espèces peut aider à clarifier les principes généraux du cerveau pour mieux comprendre le comportement.“L’approche comparative nous permet de réfléchir soigneusement à l’anatomie du cerveau dans le contexte des comportements spécifiques d’un organisme », a-t-il déclaré.“Personne ne traite une souris et un primate de la même manière ; ils se comportent différemment. Ces observations fondamentales des différences anatomiques entre les deux peuvent nous permettre d’extraire des principes généraux pouvant être appliqués à toutes les espèces, ainsi que ce qui est unique pour chaque animal.
À titre d’exemple, la compréhension de la densité synaptique – et en particulier le rapport des synapses excitatrices aux synapses inhibitrices – peut éclairer la recherche sur les affections neurologiques telles que la maladie de Parkinson et l’autisme.“Si nous ne mesurons que le rapport excitateur/inhibiteur chez la souris et que nous supposons qu’il est le même pour toutes les espèces, comment cela affecte-t-il notre compréhension de la maladie ? » dit Wildenberg.“Nous avons trouvé des différences dans le rapport excitateur/inhibiteur chez les primates par rapport aux souris ; quelles sont les implications sur la façon dont nous traduisons ces modèles pour les humains ? »
Les recherches futures comprendront l’examen de questions similaires au cours du développement du cerveau, en travaillant pour comprendre comment le nombre et la densité des synapses affectent le réseau au fil du temps, et comment ce développement diffère entre les souris et les primates.
Les références: “Les connexions neuronales des primates sont rares dans le cortex par rapport à la souris » par Gregg A. Wildenberg, Matt R. Rosen, Jack Lundell, Dawn Paukner, David J. Freedman et Narayanan Kasthuri, 14 septembre 2021, Rapports de cellule.
DOI : 10.1016/j.celrep.2021.109709
L’étude a été soutenue par la McKnight Foundation, la National Institutes of Health Brain Initiative (U01 MH109100) et une subvention NeuroNex de la National Science Foundation. Les autres auteurs incluent Jack Lundell, Dawn Paukner et David J. Freedman de UChicago, et Narayanan “Bobby” Kasthuri de UChicago et Argonne.
