Ancient Somatosensory Circuit Architectures Employ Flexible Molecular Strategies

Tout animal doté d'une colonne vertébrale, du plus petit poisson à la plus grande baleine, dépend d'un système nerveux pour ressentir le monde. Ce système doit distinguer un toucher léger, une douleur vive et la position d'un membre dans l'espace. Chez les mammifères, cette tâche est assurée par une vaste gamme de cellules nerveuses spécialisées regroupées dans des amas appelés ganglions de la racine dorsale. Ces cellules agissent comme des gardiens, envoyant des signaux de la peau et des muscles vers la moelle épinière, où elles se connectent à des couches spécifiques de neurones pour traiter cette information. Pendant des décennies, les scientifiques se sont demandé comment ces circuits complexes sont construits. Est-ce que tous les vertébrés utilisent le même plan moléculaire pour décider quelle cellule nerveuse devient un capteur de douleur et laquelle devient un capteur de toucher ? Ou bien les différentes branches de l'arbre généalogique animal ont-elles inventé leurs propres instructions uniques pour résoudre le même problème ?

Pour répondre à cela, les chercheurs se sont tournés vers une créature qui représente une branche ancienne de l'arbre généalogique des vertébrés : la petite raie. Ce poisson plat et cartilagineux est un cousin éloigné des requins et des raies, s'étant séparé de la lignée qui a mené aux humains il y a des centaines de millions d'années. Contra : aux mammifères, les raies possèdent un système nerveux relativement simple qui manque de nombreuses fibres nerveuses spécialisées présentes chez les animaux terrestres. En étudiant la petite raie, les scientifiques peuvent observer le passé pour voir à quoi ressemblait le système nerveux originel des vertébrés avant qu'il n'évolue vers la machinerie complexe observée chez les humains et d'autres animaux terrestres. La question centrale était de savoir si la disposition physique de ces circuits est une caractéristique profonde et immuable de tous les vertébrés, ou si les instructions moléculaires qui les construisent ont radicalement changé au fil du temps.

Une équipe de scientifiques de l'université de NYU Grossman School of Medicine et d'institutions collaboratrices s'est donné pour mission de cartographier le système nerveux de la petite raie avec un niveau de détail sans précédent. Ils se sont concentrés sur deux zones clés : les ganglions de la racine dorsale, où vivent les cellules nerveuses sensorielles, et la moelle épinière dorsale, où ces cellules envoient leurs signaux. En utilisant des techniques avancées permettant aux chercheurs de lire l'activité génétique de milliers de cellules individuelles simultanément, ils ont créé une carte moléculaire du système sensoriel de la raie. Ils ont également utilisé une méthode d'imagerie à haute résolution pour voir exactement où ces gènes sont activés au sein du tissu, révélant l'arrangement physique des cellules.

Les chercheurs ont découvert que l'architecture physique du système nerveux de la raie est remarquablement similaire à celle des mammifères. Tout comme chez les humains, les cellules nerveuses sensorielles de la raie envoient leurs longs fils, ou axones, dans les couches supérieures de la moelle épinière. Là, ces fils s'arrêtent à des couches spécifiques et organisées. Les cellules qui détectent la douleur et le toucher se déposent dans les couches les plus hautes, tandis que celles qui perçoivent la pression profonde se situent légèrement plus bas. Cette organisation en couches, cruciale pour le traitement de différents types de sensations, semble être une caractéristique ancienne qui a été préservée pendant des centaines de millions d'années. La moelle épinière de la raie est construite comme un échafaudage stable, avec des zones distinctes dédiées à différents types d'entrées, reflétant la disposition trouvée chez les animaux terrestres.

Cependant, lorsque les scientifiques ont examiné les instructions génétiques qui dictent l'identité de ces cellules nerveuses, l'histoire a totalement changé. Chez les mammifères, des gènes spécifiques agissent comme un code pour déterminer l'identité d'une cellule nerveuse. Par exemple, un gène appelé ntrk1 est le marqueur principal des cellules sensibles à la douleur, tandis que ntrk2 marque les cellules sensibles au toucher, et ntrk3 marque les cellules sensibles à la position musculaire. Les chercheurs s'attendaient à trouver un code similaire chez la raie. Au lieu de cela, ils ont découvert un système complètement différent. La raie n'utilise pas les mêmes clés génétiques pour déverrouiller ces identités.

Chez la raie, les gènes qui marquent la douleur et le toucher sont mélangés d'une manière qui serait impossible chez un mammifère. Une seule cellule nerveuse de la raie peut porter simultanément les marqueurs génétiques de la douleur et du toucher. Les chercheurs ont découvert que de nombreuses cellules nerveuses de la raie expriment une combinaison de gènes que les mammifères maintiennent strictement séparés. Par exemple, les cellules qui expriment le gène de la détection de la position musculaire portent également les marqueurs génétiques de la douleur. Cela suggère que si le câblage physique du système est resté constant, le logiciel moléculaire qui fonctionne à l'intérieur des cellules a été réécrit. La raie utilise un ensemble d'instructions flexibles et superposées pour construire son système sensoriel, alors que les mammifères utilisent un code rigide et exclusif.

Pour comprendre comment ces cellules se développent, les scientifiques ont réalisé une expérience délicate. Ils ont retiré les nageoires en développement d'un côté des embryons de raie pendant leur croissance. Chez les animaux terrestres, le retrait d'un membre provoque la mort ou l'échec de maturation des cellules nerveuses qui auraient dû s'y connecter. Les chercheurs voulaient voir si la raie dépendait de signaux provenant des nageoires pour déterminer l'identité de ses cellules. Ils ont découvert que les cellules nerveuses ne mouraient pas immédiatement, mais qu'elles échouaient à affiner leurs identités. Sans la nageoire, les cellules nerveuses ne pouvaient pas s'installer dans leurs rôles spécifiques finaux. Elles restaient dans un état confus, exprimant un mélange désordonné de gènes au lieu des motifs distincts observés chez les raies normales.

Cette expérience a révélé que même si le code génétique est différent, le besoin d'une cible est le même. La nageoire en développement envoie des signaux en retour aux cellules nerveuses, leur disant de finaliser leur identité et de se connecter correctement. Chez la raie, ce signal est essentiel pour organiser les instructions génétiques mixtes en un système fonctionnel. Les chercheurs ont également découvert qu'une voie chimique spécifique, impliquant une molécule appelée SMAD, agit comme un capteur précoce de ces signaux. Cette voie est active à la fois chez les raies et chez les poulets, ce qui suggère que le mécanisme d'écoute de la périphérie du corps est un trait ancien et partagé.

L'étude conclut que le système nerveux des vertébrés repose sur un paradoxe. La structure physique du circuit — les couches de la moelle épinière et la façon dont les nerfs s'y connectent — est une fondation profondément conservée et immuable. Pourtant, les programmes moléculaires qui construisent les cellules nerveuses individuelles sont hautement flexibles et ont évolué dans des directions différentes. La petite raie montre que la nature peut maintenir une architecture stable et fonctionnelle tout en réécrivant complètement les règles génétiques qui la créent. Cette flexibilité a pu permettre aux vertébrés d'adapter leurs systèmes sensoriels à de nouveaux environnements, des profondeurs de l'océan à la terre ferme, sans avoir à reconstruire entièrement le schéma de câblage. La petite raie, avec son plan corporel ancien et son code génétique unique, offre une vision claire de la manière dont l'évolution préserve l'essentiel tout en réinventant les détails.