Les chercheurs utilisent une technologie de pointe et des souris pour étudier la structure des neurones dopaminergiques, la dépendance et la capacité du cerveau à se rétablir.
Une publicité de la fin des années 1980 destinée à lutter contre la toxicomanie utilisait une paire d'œufs frits comme métaphore des effets de la drogue sur le cerveau humain. Alors que les chercheurs ont compris depuis longtemps qu'il existe un lien entre l'abus de drogues et les changements indésirables dans le cerveau, ce n'est que maintenant qu'ils peuvent étudier, en détail, les altérations qui se produisent réellement.
À l'aide d'une technologie de pointe, les chercheurs du Université de Chicago et le Laboratoire national d'Argonne ont détaillé, pour la première fois, des changements spécifiques qui se produisent dans le cerveau des souris exposées à cocaïne.
Les axones dopaminergiques (bleu clair) forment des gonflements locaux, appelés varicosités, remplis de vésicules (sphères jaunes) qui libèrent de la dopamine. Ces gonflements peuvent former des points de contact directs avec des axones non dopaminergiques (rouges) et ressemblent étroitement aux spinules, des structures censées moduler l'activité neuronale. Crédit : Image de Gregg Wildenberg, Université de Chicago/Argonne National Laboratory
La recherche fournit de nouvelles informations sur la fonction des structures clés des neurones dopaminergiques, qui sont impliquées dans de multiples fonctions, du mouvement volontaire au comportement. Les résultats ont tourné la page sur des questions plus anciennes concernant la transmission de la dopamine, tout en ouvrant un nouveau chapitre sur les autres. Grâce à des travaux continus, les chercheurs espèrent comprendre le fonctionnement de certains types d'addictions et, peut-être, développer des traitements ciblés.
« Ce n'est pas comme si certaines molécules changeaient ici ou là. Le circuit se réorganise beaucoup plus tôt et avec beaucoup moins d'exposition à la drogue que quiconque aurait pu le penser.
- Narayanan 'Bobby' Kasthuri, neuroscientifique, Argonne/UChicago
Dans un article récent publié dans la revue eLife, les chercheurs décrivent comment ils s'appuient sur le domaine en plein essor de la connectomique, le développement de cartes 3D très détaillées et précises de chaque neurone du cerveau et de leurs connexions.
Pour leur part, l'équipe a entrepris d'identifier plus clairement le processus par lequel la dopamine est transmise à travers les neurones, car ils n'établissent pas de connexions physiques conventionnelles, où les signaux sont transférés à travers les synapses.
"Les preuves suggèrent que ces neurones déversent de la dopamine dans l'espace extracellulaire, activant les neurones voisins qui possèdent des récepteurs de détection de la dopamine", explique Gregg Wildenberg, chercheur principal du projet. "Mais la connectomique n'a pas grand-chose à dire sur ces types de circuits car ils n'établissent pas de connexions typiques, nous voulions donc entrer dans ce domaine pour voir comment cela fonctionnait réellement."
Quels changements anatomiques, le cas échéant, dans les circuits de la dopamine sont causés par les drogues d'abus, comme la cocaïne ?
Wildenberg est membre du personnel scientifique du laboratoire de Narayanan "Bobby" Kasthuri, chercheur de premier plan en neurosciences à Argonne et professeur adjoint à UChicago. L'une de leurs motivations pour le projet était de comprendre l'implication de la dopamine dans la dépendance. Quels changements anatomiques, le cas échéant, dans les circuits de la dopamine sont causés par les drogues d'abus, comme la cocaïne ?
L'obtention de ce niveau de détail a nécessité l'utilisation du microscope électronique en série tridimensionnel à grand volume d'Argonne. Un microscope puissant capable de visualiser les moindres détails du cerveau, il a permis un regard plus intime sur les neurones dopaminergiques d'une sélection de souris sensibilisées à la cocaïne et d'animaux témoins.
À l'aide de ressources de l'Université de Chicago, l'équipe a collecté environ 2,000 40 sections de 1 nanomètres d'épaisseur (1 mm = XNUMX million de nm) à partir de sections associées à la dopamine du mésencéphale et du cerveau antérieur.
À partir de ces échantillons, le SEM a généré une collection d'images individuelles en 2D, totalisant plus de 1.5 téraoctet de données. Ceux-ci ont été réassemblés numériquement à l'aide du cluster de visualisation, Cooley, à l'Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Ce processus crée un volume 3D qui permet aux chercheurs d'identifier et de tracer différentes caractéristiques anatomiques des neurones dopaminergiques, ce qui, jusqu'à récemment, s'était révélé un défi.
"L'acte de foi dans ce projet était que nous serions en mesure de détecter les changements anatomiques qui pourraient se produire à n'importe quel point du cerveau", a déclaré Kasthuri, co-investigateur du projet. ? « Pourrions-nous prendre cette tranche microscopique de cerveau et trouver quelque chose de quantitativement différent ? C'est aussi en partie la raison pour laquelle nous avons choisi la cocaïne, parce que nous pensions que tout ce qui se passait se produisait probablement de manière systémique dans tout le cerveau.
Les résultats ont déterminé qu'en effet, les neurones dopaminergiques n'établissent pas de connexions physiques, sauf dans de rares cas. Et ce dernier peut suggérer que les neurones dopaminergiques ne sont pas identiques ; qu'une sous-classe différente peut exister qui est encline à établir plus de connexions physiques.
Une analyse connectomique des cerveaux de souris traitées à la cocaïne montre que les axones dopaminergiques subissent deux événements majeurs de remodelage anatomique : 1) les axones augmentent le nombre moyen de branches qu'ils fabriquent (image du haut), 2) tout en taillant ou en supprimant simultanément les axones existants. Crédit : Image de Gregg Wildenberg, Université de Chicago/Argonne National Laboratory.
En général, ils ont découvert que les petits gonflements ou varicosités - sites responsables de la libération de dopamine - pouvaient être classés en quatre types différents en fonction, en partie, de la taille ainsi que de la quantité de neurotransmetteurs portant des vésicules que chaque varicosité contenait.
Certains de ces gonflements, ont-ils découvert, étaient dépourvus de vésicules, ce qui a conduit certains critiques à accuser qu'ils ne pouvaient pas être définis comme des sites de libération appropriés. Ces varicosités vides, disent-ils, indiquent probablement qu'il peut y avoir d'autres composants moléculaires, en plus de la présence de vésicules, qui définissent les sites de libération de dopamine.
"Nous suggérons qu'il est possible que ces varicosités vides aient toute la machinerie moléculaire pour libérer de la dopamine, mais il se peut que les vésicules de dopamine soient activement transportées dans tout l'axone et nous venons de prendre un instantané dans le temps où certains sont vides", a déclaré Wildenberg.
La partie cocaïne de l'étude a produit deux changements majeurs, qui se concentrent tous deux sur les axones, les câbles ultrafins qui se projettent à partir des neurones. Comme les arbres, les axones poussent des vrilles qui se ramifient vers d'autres axones pour délivrer des signaux. Après avoir exposé les souris à la cocaïne, l'équipe a constaté une augmentation de cette ramification.
Dans un résultat totalement inattendu, ils ont également découvert qu'environ la moitié des axones étudiés formaient d'énormes gonflements, ou bulbes, à divers endroits le long de l'axone. La corrélation la plus proche avec ces bulbes apparaît chez les animaux en développement, aux jonctions où les neurones rencontrent les muscles. Dans certains cas, un axone se rétracte ou est élagué, puis gonfle en une grande structure en forme de bulbe.
L'équipe a vu des signes de germination et de rétraction, parfois dans le même axone. Selon les chercheurs, la découverte représente la première documentation de ce comportement se produisant dans le contexte d'un modèle de maladie.
"Le circuit se réorganise beaucoup plus tôt et avec beaucoup moins d'exposition au médicament que quiconque aurait pensé."
- Narayanan "Bobby" Kasthuri, scientifique à Argonne et professeur adjoint à UChicago
"Nous savons maintenant qu'il existe une base anatomique aux drogues d'exposition", a noté Kasthuri. « Ces animaux ont reçu une ou deux injections de cocaïne et déjà, au bout de deux à trois jours, on a vu des changements anatomiques généralisés.
"Ce n'est pas comme si certaines molécules changeaient ici ou là", a-t-il ajouté. "Le circuit se réorganise beaucoup plus tôt et avec beaucoup moins d'exposition à la drogue que quiconque aurait pensé."
Alors que l'étude a aidé à élucider les questions de forme, de fonction et de dynamique dans le système dopaminergique, elle présente également de nouvelles questions importantes liées à l'exposition répétée et à la dépendance, ainsi qu'au traitement et au rétablissement.
Principalement, le cerveau peut-il surmonter les réarrangements structurels introduits par les drogues addictives, en se basant sur sa plasticité dans d'autres domaines ? Les résultats de cette recherche et l'accessibilité à de puissants outils de découverte détiennent la clé pour répondre à ce type de questions à l'avenir.
Référence : "Le marquage spécifique au type de cellule et les connectomes partiels des circuits dopaminergiques révèlent une communication non synaptique et un remodelage axonal à grande échelle après exposition à la cocaïne" par Gregg Wildenberg Est un auteur correspondant, Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical, Chad Heer, Mark Sheffield, Xiaoxi Zhuang, Daniel McGehee et Bobby Kasthuri, 29 décembre 2022, eLife.
DOI : 10.7554/eLife.71981
Les autres auteurs de l'article étaient Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical et Chad Heer, ainsi que Asst. Prof. Mark Sheffield, Prof. Xiaoxi Zhuang et Assoc. Professeur Daniel McGehee.
Financement : Fondation McKnight, National Institutes of Health, National Science Foundation
