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Signaux chimiques, signaux mécaniques… la biologie ne se fait pas sans un peu de physique.
Le cerveau en développement voit les neurones grandir, explorer les trois dimensions de l’espace, pour établir, grâce à leurs prolongements cellulaires (les axones) des connexions entre eux (qui permettront de faire circuler l’information nerveuse). Mais la croissance des neurones n’obéit pas au seul hasard, elle suit des voies bien définies. Jusqu’à présent, on pensait que les axones empruntaient des chemins balisés par un signalement chimique : des gradients moléculaires qui les portent vers une source et un objectif donné. Comme un aveugle s’orienterait vers le restaurant en suivant l’alléchant fumet du repas en préparation…

Ce n’est pas si simple. Une étude récente a montré que, si la croissance neuronale est effectivement contrôlée par des signaux chimiques, elle l’est aussi par les caractéristiques mécaniques de l’environnement… Comme l’aveugle, c’est aussi  à tâtons que l’axone avance.

Les axones peuvent en effet, selon ces travaux récents, « sentir » les propriétés mécaniques telle que la dureté. In vitro, la dureté du substrat détermine le type de la croissance des axones des cellules dendritiques de la rétine (photo) chez le Xénope.

Les auteurs de l’étude ont adapté la technique de Microscopie à Force Atomique (AFM) pour mesurer la dureté des tissus dans le cerveau de Xénope en développement, révélant ainsi l’environnement mécanique des axones en croissance. La Microscopie à Force Atomique est utilisée habituellement pour visualiser avec une résolution nanométrique la morphologie tridimensionnelle de la surface d’un matériau, et de cartographier certaines de ses propriétés (adhésives, mécaniques, magnétiques, électriques, …). Ici, elle a permis de montrer l’existence de gradients de dureté dans le cerveau embryonnaire. Ces gradients et l’orientation de la croissance des axones coïncident : ils semblent que les axones évitent les zones les plus dures pour se diriger vers les régions plus douces.

Pour évaluer et prouver l’importance jouée par ces signaux mécaniques dans la croissance des axones in vivo, ils ont soit modifié la dureté des cerveaux, soit bloqué la capacité des neurones à mesurer ce signal de dureté. Pour cela, ils ont ciblé les récepteurs spécifiques de cette information : les canaux ioniques  Piezo1. Présents sur la membrane des neurones, ces canaux s’ouvrent lorsque une contrainte mécanique leur est appliquée, laissant passer spécifiquement les ions calcium à l’intérieur de la cellule. Cet afflux de calcium déclenche alors une série de réactions pouvant modifier le fonctionnement du neurone. En bloquant Piezo1, soit pharmacogénétiquement (en utilisant une substance extraite de venin d’une araignée) ou en détruisant le gène, on inhibe la transmission du message mécanique (le neurone n’est plus capable de mesurer la dureté de son environnement).
Or, tous ces traitements (altération de la dureté du tissu cérébral ou incapacité des neurones à la mesurer) ont entraîné une croissance anarchique des axones. Ils ne trouvent plus leur chemin. Ceci suggère bien que les variations locales de dureté des tissus, mesurées grâce à des récepteurs mécaniques, participent de façon critique au contrôle de la croissance neuronale  in vivo.

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Mechanosensing is critical for axon growth in the developing brain. David E. Koser et al. Nature Neuroscience (19 septembre 2016).

http://www.nature.com/neuro/journal/vaop/ncurrent/full/nn.4394.html

http://www.cam.ac.uk/research/news/neurons-feel-the-force-physical-interactions-control-brain-development

 

Illustrations

Cerveau d’embryon de xénope. On distingue, en pointillés colorés, les noyaux des cellules (ADN), et en blanc le tractus optique (contenant les axones ici étudiés). Eva Pillai

Jean Martin, Les Aveugles, 1937, Musée des Beaux-Arts de Lyon.

 

Petit aparté…

Je vous en avais déjà parlé dans le billet « Je vous envoye un bouquet que ma main… », mais je ne résiste pas à le mentionner de nouveau. Les plantes aussi utilisent la mécanique pour grandir… Pour en savoir plus, faites un tour sur :

The mechanics behind plant development. Olivier Hamant O., Jan Traas. New. Phytol. 2010.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2009.03100.x/full

http://www.cerclefser.org/fr/portfolio_page/olivier-hamant/

 

 

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