L'insuline joue un rôle dans la médiation des perceptions et des comportements des vers

L'insuline joue un rôle dans la médiation des perceptions et des comportements des vers

À l'aide de vers ronds reniflant le sel, les scientifiques de Salk expliquent comment le système nerveux traite les informations sensorielles

LA JOLLA, CA—Au cours des dernières années, à mesure que les outils et les techniques d'imagerie se sont améliorés, les scientifiques ont travaillé sans relâche pour établir une carte détaillée des connexions neuronales dans le cerveau humain, dans l'espoir ultime de comprendre le fonctionnement de l'esprit.

Mais déterminer comment les cellules du cerveau sont physiquement connectées n'est que le premier indice pour décoder nos perceptions et nos comportements. Il faut aussi connaître les trajets précis que l'information emprunte dans le cerveau dans un contexte donné. Maintenant, publiant leurs résultats le 8 septembre 2013 dans la revue Nature Neuroscience, des chercheurs du Salk Institute for Biological Studies ont montré un exemple frappant de la flexibilité des circuits neuronaux et de son influence sur les comportements des vers, en fonction de l'environnement des animaux.

L'ascaris Caenorhabditis elegans a exactement 302 neurones - bien moins que les 100 milliards de neurones estimés d'une personne - et nous savons déjà comment chacun d'eux est connecté. Cela, en plus de la facilité avec laquelle les cellules de la minuscule créature peuvent être manipulées, permet aux chercheurs de se demander quel type d'information passe à travers les circuits - en détail au niveau moléculaire et au niveau du circuit - et quelles sont les conséquences comportementales de ce flux d'informations.

Les scientifiques Sarah Leinwand et Sreekanth Chalasani

Image : Avec l'aimable autorisation de l'Institut Salk d'études biologiques

Même avec une carte complète des connexions neuronales du ver en main, les scientifiques ne savent toujours pas comment l'animal peut interagir avec son environnement de milliers de façons différentes. C'est une grande question qui Sreekanth Chalasani, professeur adjoint au Salk's Laboratoire de neurobiologie moléculaire et Sarah Leinwand, doctorant à la Université de Californie, San Diego, a cherché à répondre.

In C. elegans, grâce à des études réalisées il y a plus de 20 ans, de nombreux neurones sensoriels ont été identifiés comme ayant des rôles distincts tels que la détection de la température, des phéromones, du sel et des odeurs. Pour savoir ce que faisaient ces cellules, les scientifiques les avaient zappées une par une avec un laser et mesuré les comportements des vers. Ces études ont impliqué un neurone dans la détection d'une augmentation du sel dans l'environnement du ver.

Dans la nouvelle étude, plutôt que d'enlever des neurones sensoriels individuels, Leinwand et Chalasani ont imagé des vers qui exprimaient des indicateurs de calcium génétiquement codés dans leurs neurones, ce qui a provoqué l'illumination des cellules lorsqu'elles étaient actives. Étonnamment, après exposition à une concentration de sel attrayante mais élevée, le neurone sensoriel olfactif des vers s'est illuminé.

"Nous avons été extrêmement surpris de voir qu'avec ces nouveaux outils, ces nouveaux capteurs de calcium, nous avons pu découvrir qu'il y avait plus d'un type de neurone impliqué dans le traitement des signaux sensoriels que les gens pensaient n'être détectés que par des neurones uniques", explique Leinwand.

En haut : un neurone détecteur d'odeurs (appelé AWC et représenté en vert) dans la tête du ver s'est avéré de manière inattendue répondre au sel dans l'environnement.

En bas : images à plus fort grossissement de ce neurone avant (à gauche) et pendant (à droite) la présentation du sel. Le neurone exprime un indicateur de calcium qui fait s'allumer le neurone (indiqué par les couleurs blanches et plus chaudes) lorsqu'il est actif ; l'exposition au sel a considérablement éclairé ce neurone, ce qui a révélé la complexité du système sensoriel du ver.

Image : Avec l'aimable autorisation de l'Institut Salk d'études biologiques

À l'aide de manipulations génétiques et d'analyses comportementales supplémentaires, les chercheurs ont montré que le neurone olfactif, bien que toujours important pour détecter les odeurs, était crucial pour le mouvement du ver vers le sel dans une certaine plage de concentration. De manière inattendue, la réponse de ce neurone au sel a également nécessité le neurone de détection du sel précédemment identifié. En fait, le neurone olfactif ne détectait pas directement le sel, mais était plutôt activé par le neurone sensoriel du sel, ont-ils découvert.

Quelles informations le neurone sensible au sel envoyait-il au neurone olfactif ? Les neurones communiquent entre eux en envoyant des signaux chimiques et électriques par des contacts étroits avec leurs voisins. En testant des vers dont les molécules de signalisation avaient été génétiquement éliminées, Chalasani et Leinwand ont pu voir lesquels jouaient un rôle dans la transmission lorsque le ver était stimulé par une teneur plus élevée en sel. À partir de ces expériences, ils ont vu qu'un neuropeptide, une petite protéine présente dans les neurones, était libéré par le neurone sensible au sel pour façonner le comportement de l'animal.

L'identification du neuropeptide (ou des neuropeptides) responsable de la signalisation dépendante du contexte était la partie la plus difficile de l'étude, car le ver possède 115 gènes qui codent pour quelque 250 neuropeptides, explique Chalasani. Heureusement, il n'y a que quatre machines moléculaires différentes qui traitent tous ces peptides ; en utilisant des knockouts génétiques de chacun des quatre, Leinwand et Chalasani ont rapidement pu réduire la liste à environ 40 gènes codant pour les neuropeptides de l'insuline.

Un par un, l'équipe a suivi les réponses des neurones olfactifs à une teneur élevée en sel chez les vers manquant de chaque gène, constatant que les vers dépourvus du gène d'un neuropeptide de l'insuline connu sous le nom d'INS-6 ne répondaient pas aux augmentations de sel. La remise en place de ce peptide a restauré les réponses normales de l'animal à une teneur élevée en sel.

Les scientifiques de Salk ont ​​découvert que l'insuline joue un rôle dans la médiation des perceptions et des comportements des vers ronds.

Cette image montre un C. Élégans, l'espèce de vers rond étudiée par les chercheurs de Salk.

Image : Avec l'aimable autorisation de l'Institut Salk d'études biologiques

"C'était gratifiant de voir que, bien qu'il puisse y avoir plus d'un signal peptidique, les contributions de l'INS-6 sont certainement importantes", déclare Leinwand. Elle et Chalasani ont également trouvé le récepteur spécifique à l'extrémité réceptrice des neurones olfactifs.

Que l'insuline soit la principale molécule de signalisation recrutant le neurone olfactif dans un circuit de détection du sel a été une grande surprise.

"Traditionnellement, on pense que les neuropeptides modulent la fonction neuronale sur plusieurs secondes à plusieurs minutes", explique Chalasani. "Mais dans ce cas particulier, il semble que l'insuline agit en moins d'une seconde pour transférer des informations du neurone sensible au sel au neurone qui répond normalement à l'odeur."

Une communication neuropeptide similaire peut également créer des circuits neuronaux flexibles qui interviennent dans les divers comportements que d'autres animaux et personnes exécutent dans leur environnement. L'insuline joue de nombreux rôles chez l'homme - elle a été impliquée dans le vieillissement et le métabolisme, par exemple - mais jusqu'à présent, il a été démontré qu'elle ne fonctionnait que sur une échelle de temps plus lente et infime.

Chalasani et Leinwand prévoient d'étudier s'il existe d'autres commutateurs de circuits neuronaux rapides dans les vers et, le cas échéant, si ces commutateurs agissent par le biais de la signalisation neuropeptide ou d'un autre mécanisme. Ils s'intéressent également à la façon dont le commutateur de circuit change à mesure que l'animal vieillit. "On s'attendrait à ce que l'animal vieillisse, une partie de cette communication devienne moins efficace", explique Chalasani.

Ce travail a été soutenu par le Programme de bourses Searle, Mars of Dimes, Fondation Whitehall, Fondation Rita Allen, National Institutes of Health et de la National Science Foundation.

À propos du Salk Institute for Biological Studies:
L'Institut Salk d'études biologiques est l'une des principales institutions de recherche fondamentale au monde, où des professeurs de renommée internationale étudient les questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur le mentorat des futures générations de chercheurs, les scientifiques de Salk apportent des contributions révolutionnaires à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale et les disciplines connexes.

Les réalisations du corps professoral ont été récompensées par de nombreuses distinctions, notamment des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par Jonas Salk, MD, pionnier du vaccin contre la poliomyélite, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.