Livre pour livre, le cerveau consomme beaucoup plus d’énergie que les autres organes et, curieusement, il reste un consommateur de carburant même lorsque ses neurones ne se transmettent pas de signaux appelés neurotransmetteurs. Les chercheurs de Weill Cornell Medicine ont découvert que le processus d’emballage des neurotransmetteurs peut être responsable de cette fuite d’énergie.
Dans leur étude, publiée aujourd’hui (3 décembre 2021) dans Avancées scientifiques, ils ont identifié de minuscules capsules appelées vésicules synaptiques comme une source majeure de consommation d’énergie dans les neurones inactifs. Les neurones utilisent ces vésicules comme conteneurs pour leurs molécules de neurotransmetteurs, qu’ils tirent à partir de ports de communication appelés terminaux synaptiques pour signaler à d’autres neurones. L’emballage des neurotransmetteurs dans les vésicules est un processus qui consomme de l’énergie chimique, et les chercheurs ont découvert que ce processus, du point de vue énergétique, est intrinsèquement fuyant – si fuyant qu’il continue de consommer une énergie importante même lorsque les vésicules sont remplies et que les terminaux synaptiques sont inactifs.
“Ces résultats nous aident à mieux comprendre pourquoi le cerveau humain est si vulnérable à l’interruption ou à l’affaiblissement de son approvisionnement en carburant”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Timothy Ryan, professeur de biochimie et de biochimie en anesthésiologie à Weill Cornell Medicine.
L’observation que le cerveau consomme une grande quantité d’énergie, même lorsqu’il est relativement au repos, remonte à plusieurs décennies à des études sur l’utilisation de carburant du cerveau dans les états comateux et végétatifs. Ces études ont révélé que même dans ces états profondément inactifs, la consommation de glucose par le cerveau ne diminue généralement que de moitié environ par rapport à la normale, ce qui laisse toujours le cerveau consommateur d’énergie par rapport aux autres organes. Les sources de ce drain d’énergie au repos n’ont jamais été entièrement comprises.
Le Dr Ryan et son laboratoire ont montré ces dernières années que les terminaisons synaptiques des neurones, des excroissances ressemblant à des bourgeons à partir desquelles ils tirent des neurotransmetteurs, sont de gros consommateurs d’énergie lorsqu’elles sont actives et sont très sensibles à toute perturbation de leur approvisionnement en carburant. Dans la nouvelle étude, ils ont examiné la consommation de carburant dans les terminaux synaptiques lorsque dansactif, et a constaté qu’il est encore élevé.
Cette consommation élevée de carburant au repos, ont-ils découvert, s’explique en grande partie par le pool de vésicules au niveau des terminaux synaptiques. Pendant l’inactivité synaptique, les vésicules sont entièrement chargées de milliers de neurotransmetteurs chacune et sont prêtes à lancer ces charges utiles porteuses de signaux à travers les synapses vers les neurones partenaires.
Pourquoi une vésicule synaptique consommerait-elle de l’énergie même à pleine charge ? Les chercheurs ont découvert qu’il y a essentiellement une fuite d’énergie de la membrane vésiculaire, un « efflux de protons », de sorte qu’une enzyme spéciale « pompe à protons » dans la vésicule doit continuer à fonctionner et à consommer du carburant, même lorsque le la vésicule est déjà pleine de molécules de neurotransmetteurs.
Les expériences ont indiqué que des protéines appelées transporteurs étaient les sources probables de cette fuite de protons. Les transporteurs amènent normalement les neurotransmetteurs dans les vésicules, changeant de forme pour transporter le neurotransmetteur, mais permettant en même temps à un proton de s’échapper, ce qu’ils font. Le Dr Ryan suppose que le seuil d’énergie pour ce changement de forme de transporteur a été réglé bas par l’évolution pour permettre un rechargement plus rapide des neurotransmetteurs pendant l’activité synaptique, et donc une réflexion et une action plus rapides.
“L’inconvénient d’une capacité de chargement plus rapide serait que même des fluctuations thermiques aléatoires pourraient déclencher le changement de forme du transporteur, provoquant cette fuite d’énergie continue même lorsqu’aucun neurotransmetteur n’est chargé”, a-t-il déclaré.
Bien que la fuite par vésicule soit minime, il y a au moins des centaines de milliards de vésicules synaptiques dans le cerveau humain, donc le drain d’énergie s’additionnerait vraiment, a déclaré le Dr Ryan.
Cette découverte est une avancée significative dans la compréhension de la biologie fondamentale du cerveau. De plus, la vulnérabilité du cerveau à la perturbation de son approvisionnement en carburant est un problème majeur en neurologie, et des déficiences métaboliques ont été notées dans une multitude de maladies cérébrales courantes, notamment Alzheimer et la maladie de Parkinson. Cette piste d’investigation pourrait finalement aider à résoudre d’importantes énigmes médicales et suggérer de nouveaux traitements.
“Si nous avions un moyen de réduire en toute sécurité cette fuite d’énergie et donc de ralentir le métabolisme cérébral, cela pourrait avoir un impact clinique très important”, a déclaré le Dr Ryan.
Référence : « Les pools de vésicules synaptiques sont une charge métabolique au repos cachée majeure des terminaisons nerveuses » 3 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abi9027
