Une différence frappante découverte entre les neurones des humains et d’autres mammifères

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Neuron Illustration

Illustration de neurone

Les neurones humains ont moins de canaux ioniques, ce qui aurait pu permettre au cerveau humain de détourner l’énergie vers d’autres processus neuronaux.

Les neurones communiquent entre eux via des impulsions électriques, qui sont produites par des canaux ioniques qui contrôlent le flux d’ions tels que le potassium et le sodium. Dans une nouvelle découverte surprenante, AVEC les neuroscientifiques ont montré que les neurones humains ont un nombre beaucoup plus petit de ces canaux que prévu, par rapport aux neurones d’autres mammifères.

Les chercheurs émettent l’hypothèse que cette réduction de la densité des canaux peut avoir aidé le cerveau humain à évoluer pour fonctionner plus efficacement, lui permettant de détourner des ressources vers d’autres processus énergivores qui sont nécessaires pour effectuer des tâches cognitives complexes.

“Si le cerveau peut économiser de l’énergie en réduisant la densité des canaux ioniques, il peut dépenser cette énergie sur d’autres processus neuronaux ou de circuits”, explique Mark Harnett, professeur agrégé de sciences du cerveau et cognitives, membre de l’Institut McGovern de recherche sur le cerveau du MIT. , et l’auteur principal de l’étude.

Neurones pyramidaux de différentes espèces

Les neuroscientifiques du MIT ont analysé les neurones pyramidaux de plusieurs espèces de mammifères différentes, notamment, de gauche à droite, le furet, le cobaye, le lapin, le ouistiti, le macaque et l’humain. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Harnett et ses collègues ont analysé les neurones de 10 mammifères différents, l’étude électrophysiologique la plus approfondie du genre, et ont identifié un « plan de construction » qui s’applique à toutes les espèces qu’ils ont examinées, à l’exception des humains. Ils ont découvert qu’à mesure que la taille des neurones augmente, la densité des canaux trouvés dans les neurones augmente également.

Cependant, les neurones humains se sont avérés être une exception frappante à cette règle.

“Des études comparatives antérieures ont établi que le cerveau humain est construit comme les autres cerveaux de mammifères, nous avons donc été surpris de trouver des preuves solides que les neurones humains sont spéciaux”, a déclaré Lou Beaulieu-Laroche, ancien étudiant diplômé du MIT.

Beaulieu-Laroche est l’auteur principal de l’étude, qui a été publiée le 10 novembre 2021 dans La nature.

Un plan de construction

Les neurones du cerveau des mammifères peuvent recevoir des signaux électriques de milliers d’autres cellules, et cette entrée détermine s’ils déclencheront ou non une impulsion électrique appelée potentiel d’action. En 2018, Harnett et Beaulieu-Laroche ont découvert que les neurones humains et de rat diffèrent dans certaines de leurs propriétés électriques, principalement dans des parties du neurone appelées dendrites – des antennes arborescentes qui reçoivent et traitent les entrées d’autres cellules.

L’une des découvertes de cette étude était que les neurones humains avaient une densité de canaux ioniques plus faible que les neurones du cerveau du rat. Les chercheurs ont été surpris par cette observation, car la densité des canaux ioniques était généralement supposée constante d’une espèce à l’autre. Dans leur nouvelle étude, Harnett et Beaulieu-Laroche ont décidé de comparer les neurones de plusieurs espèces de mammifères différentes pour voir s’ils pouvaient trouver des modèles qui régissent l’expression des canaux ioniques. Ils ont étudié deux types de canaux potassiques voltage-dépendants et le canal HCN, qui conduit à la fois le potassium et le sodium, dans les neurones pyramidaux de la couche 5, un type de neurones excitateurs trouvés dans le cortex cérébral.

Ils ont pu obtenir du tissu cérébral de 10 espèces de mammifères : musaraignes étrusques (l’un des plus petits mammifères connus), gerbilles, souris, rats, cochons d’Inde, furets, lapins, ouistitis et macaques, ainsi que des tissus humains prélevés sur des patients atteints de épilepsie au cours d’une opération du cerveau. Cette variété a permis aux chercheurs de couvrir une gamme d’épaisseurs corticales et de tailles de neurones à travers le règne des mammifères.

Les chercheurs ont découvert que chez presque toutes les espèces de mammifères qu’ils ont examinées, la densité des canaux ioniques augmentait à mesure que la taille des neurones augmentait. La seule exception à ce schéma était dans les neurones humains, qui avaient une densité de canaux ioniques beaucoup plus faible que prévu.

L’augmentation de la densité des canaux à travers les espèces était surprenante, dit Harnett, car plus il y a de canaux, plus il faut d’énergie pour pomper les ions dans et hors de la cellule. Cependant, cela a commencé à avoir du sens une fois que les chercheurs ont commencé à réfléchir au nombre de canaux dans le volume global du cortex, dit-il.

Dans le minuscule cerveau de la musaraigne étrusque, qui regorge de très petits neurones, il y a plus de neurones dans un volume de tissu donné que dans le même volume de tissu du cerveau de lapin, qui a des neurones beaucoup plus gros. Mais parce que les neurones du lapin ont une densité de canaux ioniques plus élevée, la densité des canaux dans un volume donné de tissu est la même chez les deux espèces, ou dans l’une des espèces non humaines analysées par les chercheurs.

“Ce plan de construction est cohérent pour neuf espèces de mammifères différentes”, a déclaré Harnett. « Il semble que le cortex essaie de faire en sorte que le nombre de canaux ioniques par unité de volume reste le même pour toutes les espèces. Cela signifie que pour un volume de cortex donné, le coût énergétique est le même, du moins pour les canaux ioniques.

Efficacité énergétique

Le cerveau humain représente cependant un écart frappant par rapport à ce plan de construction. Au lieu d’une augmentation de la densité des canaux ioniques, les chercheurs ont constaté une diminution spectaculaire de la densité attendue des canaux ioniques pour un volume donné de tissu cérébral.

Les chercheurs pensent que cette densité plus faible peut avoir évolué comme un moyen de dépenser moins d’énergie pour pomper des ions, ce qui permet au cerveau d’utiliser cette énergie pour autre chose, comme créer des connexions synaptiques plus compliquées entre les neurones ou déclencher des potentiels d’action à un taux plus élevé.

“Nous pensons que les humains ont évolué à partir de ce plan de construction qui limitait auparavant la taille du cortex, et ils ont trouvé un moyen de devenir plus efficaces sur le plan énergétique, de sorte que vous dépensez moins d’ATP par volume que les autres espèces”, explique Harnett.

Il espère maintenant étudier où cette énergie supplémentaire pourrait aller et s’il existe des mutations génétiques spécifiques qui aident les neurones du cortex humain à atteindre cette efficacité élevée. Les chercheurs souhaitent également déterminer si les espèces de primates qui sont plus étroitement liées aux humains présentent des diminutions similaires de la densité des canaux ioniques.

Référence : « Règles allométriques pour la biophysique des neurones de la couche corticale des mammifères 5 » par Lou Beaulieu-Laroche, Norma J. Brown, Marissa Hansen, Enrique HS Toloza, Jitendra Sharma, Ziv M. Williams, Matthew P. Frosch, Garth Rees Cosgrove, Sydney S Cash et Mark T. Harnett, 10 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04072-3

La recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, une bourse de l’Institut des amis de McGovern, l’Institut national des sciences médicales générales, le programme de bourses Paul et Daisy Soros, le programme de subventions de neuroimagerie David Mahoney de la Fondation Dana, le National Institutes of Health, le programme de subventions de recherche conjointe Harvard-MIT en neurosciences fondamentales et Susan Haar.

Les autres auteurs de l’article incluent Norma Brown, une associée technique du MIT; Marissa Hansen, ancienne post-baccalauréat ; Enrique Toloza, étudiant diplômé au MIT et à la Harvard Medical School ; Jitendra Sharma, chercheur au MIT ; Ziv Williams, professeur agrégé de neurochirurgie à la Harvard Medical School ; Matthew Frosch, professeur agrégé de pathologie et des sciences et technologies de la santé à la Harvard Medical School; Garth Rees Cosgrove, directeur de l’épilepsie et de la neurochirurgie fonctionnelle au Brigham and Women’s Hospital ; et Sydney Cash, professeur adjoint de neurologie à la Harvard Medical School et au Massachusetts General Hospital.

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