Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology

Le cerveau est un vaste réseau de cellules spécialisées appelées neurones, chacune possédant une forme unique et une fonction spécifique. Certains neurones ressemblent à des étoiles avec de nombreuses ramifications, tandis que d'autres sont longs et fins, s'étendant à travers le corps pour envoyer des signaux. Les scientifiques se demandent depuis longtemps comment ces cellules savent quelle forme adopter. Est-ce à cause d'instructions écrites à l'intérieur de la cellule elle-même, comme un plan génétique ? Ou est-ce à cause de signaux provenant du monde extérieur, comme un enseignant guidant un élève ? Pour trouver la réponse, les chercheurs étudient généralement les neurones à l'intérieur d'animaux vivants, où il est difficile de déterminer quel facteur est à l'œuvre. Ils étudient également les neurones dans des boîtes de Petri, mais la plupart de ces expériences commencent avec des cellules qui ont déjà grandi et formé des connexions, ce qui rend difficile l'observation de la manière dont elles décident d'abord de devenir un type de cellule spécifique.

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Oregon a développé une nouvelle façon d'observer ce processus dès le début. Ils ont utilisé des mouches du vinaigre, un modèle courant pour l'étude de la biologie, pour faire croître des neurones dans une boîte en partant de cellules souches, qui sont les matières premières devenant finalement des neurones. En retirant ces cellules souches de l'embryon avant qu'elles n'aient eu tout contact avec le monde extérieur, les scientifiques ont créé une situation où les cellules devaient compter entièrement sur leurs propres instructions internes pour croître. Les chercheurs ont découvert que même sans les signaux environnementaux habituels, ces cellules souches se sont transformées avec succès en neurones matures. Ces nouvelles cellules n'ont pas seulement développé le bon nombre de ramifications, mais elles ont aussi acquis la même identité moléculaire et ont conservé des aspects clés des formes physiques qu'elles auraient eues si elles étaient restées à l'intérieur de la mouche vivante. Cela suggère que les instructions pour construire un type spécifique de neurone sont largement contenues au sein même de la cellule, attendant d'être activées, bien que la forme résultante ne soit pas une réplique parfaite de celle trouvée dans la nature.

Les scientifiques ont commencé leur travail en collectant des embryons de mouches du vinaigre à un moment très précis de leur développement, juste au moment où les cellules souches commençaient à se diviser. Ils ont soigneusement retiré la coquille externe des embryons et les ont décomposés en cellules individuelles grâce à un processus chimique doux. Ces cellules ont ensuite été placées dans un milieu liquide spécial à l'intérieur d'une goutte suspendue, une configuration qui maintient les cellules en suspension et en bonne santé. Les chercheurs ont observé ces cellules sur une période de douze heures, une durée qui correspond au temps nécessaire pour que ces cellules mûrissent à l'intérieur de la mouche. Ils ont vu que les cellules souches se divisaient et se transformaient en neurones à la même vitesse qu'elles le font à l'intérieur du corps. En l'espace d'une heure, les cellules ont commencé à faire germer de minuscules extensions, et en douze heures, ces extensions s'étaient transformées en brins longs et fins, imitant la croissance naturelle des neurones dans un organisme vivant.

Pour s'assurer qu'ils étudiaient les bons types de cellules, l'équipe a utilisé un tour de passe-passe génétique pour illuminer des groupes spécifiques de neurones d'une lueur verte. Ils se sont concentrés sur une famille particulière de neurones qui se forme habituellement selon un schéma spécifique à l'intérieur de la mouche. En comptant les cellules lumineuses dans leur boîte, ils ont constaté que le nombre de ces neurones spécifiques correspondait au nombre trouvé chez les mouches vivantes. Cette étape était cruciale, prouvant que la boîte ne faisait pas que faire croître des cellules aléatoires, mais recréait fidèlement le mélange de types cellulaires présents dans la nature. Les chercheurs ont également vérifié si les cellules triaient correctement leurs composants internes. Les neurones possèdent deux principaux types de branches : les axones, qui envoient des signaux, et les dendrites, qui les reçoivent. L'équipe a constaté que les cellules dans la boîte plaçaient correctement leur cargaison interne, envoyant les bons matériaux vers les axones et les bons matériaux vers les dendrites, tout comme elles le font dans un animal vivant.

La découverte la plus frappante concernait peut-être un groupe de neurones moteurs qui contrôlent le mouvement musculaire. Chez une mouche vivante, ces neurones présentent deux formes distinctes : certains possèdent deux branches principales, tandis que d'autres n'en ont qu'une seule. Les chercheurs ont observé les neurones moteurs poussant dans leur boîte et ont constaté qu'ils conservaient ces mêmes formes. Les cellules destinées à avoir deux branches en ont développé deux, et celles censées n'en avoir qu'une seule n'en ont développé qu'une. De plus, ces cellules transportaient les marqueurs moléculaires corrects, ces étiquettes chimiques qui les identifient comme des types de neurones spécifiques. Cela s'est produit même si les cellules n'avaient jamais été exposées à l'environnement complexe du corps de la mouche. Les résultats indiquent que le plan de l'identité et de la forme d'un neurone est inscrit dans la cellule dès le départ, et qu'elle n'a pas besoin du monde extérieur pour lui dire ce qu'elle doit devenir, bien que la morphologie finale ne soit pas une copie parfaite de la forme in vivo.

Ce travail offre un nouvel outil puissant aux scientifiques pour étudier la façon dont le cerveau est construit. En faisant croître des neurones dans une boîte où le monde extérieur est supprimé, les chercheurs peuvent désormais isoler les instructions internes qui dirigent le développement. L'étude montre que, bien que l'environnement soit important pour beaucoup de choses, le plan fondamental de l'identité et de la structure d'un neurone provient de l'intérieur. Cette découverte aide à clarifier une question de longue date en neurosciences : comment les cellules savent-elles qui elles sont ? La réponse semble être qu'elles portent leur propre carte, prête à être suivie dès l'instant où elles naissent.