Les humains et la plupart des mammifères peuvent déterminer l’origine spatiale des sons avec une remarquable acuité. Nous utilisons cette capacité tout le temps : pour traverser la rue, pour localiser un téléphone portable invisible qui sonne dans une chambre en désordre. Pour accomplir ce petit miracle quotidien, le cerveau a développé un circuit qui est suffisamment rapide pour détecter l’infime décalage qui se produit entre le moment où l’information auditive atteint l’une de nos oreilles, et le moment où elle atteint l’autre. Le coeur de ce circuit est le “calice de Held”, la plus grande synapse connue dans le cerveau.

Les chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont mis en évidence le rôle que joue une protéine spécifique dans l’initiation de la croissance de ces synapses géantes. La découverte, publiée cette semaine (lien plus bas), pourrait également contribuer à faire la lumière sur un certain nombre de troubles neuropsychiatriques.

Normalement, les neurones ont des milliers de points de contact, appelés synapses, avec les neurones voisins. Dans un laps de temps donné, un neurone doit recevoir plusieurs signaux de ses voisins afin d’être en mesure d’envoyer son propre signal en réponse. De ce fait, l’information passe d’un neurone à l’autre d’une manière relativement aléatoire. Dans la partie “auditive” du cerveau, le nucleus olivaris superior, ce n’est pas le cas. Les synapses se développent pour atteindre de très grandes tailles, et ces mastodontes sont connus en tant que synapses "calice de Held". Parce qu’elles ont des centaines de points de contact, elles sont capables de transmettre à elle seul un signal à un neurone voisin. le professeur de l’EPFL, Ralf Schneggenburger, qui a dirigé l’étude, la compare à une communication peer-to-peer entre les neurones. Le résultat est que l’information est traitée très rapidement, en quelques fractions de millisecondes, au lieu du rythme “lent” de plus de 10 millisecondes qui se produit dans la plupart des autres circuits neuronaux.

Quatre images différentes de calices de Held (orange), un type de synapse géante, qui est reliée aux neurones MNTB pour “Medial nucleus of the trapezoid body” (vert) et relais l’information vers ces neurones.

Le GIF d’entête, tirée de l’étude : la reconstruction d’un Medial nucleus of the trapezoid body (MNTB) dans la partie du cerveau qui traite les sons (Superior olivary complex). Le MNTB se compose principalement de neurones avec des corps cellulaires ronds qui utilisent la glycine comme neurotransmetteur. Chaque neurone du MNTB est pourvu de calice de Held. GIF réalisé par votre Guru à partir de la vidéo originale.

Pour isoler la protéine responsable du contrôle de la croissance de cette synapse gigantesque, les scientifiques ont dû effectuer de minutieuses recherches. En utilisant des méthodes d’analyse de l’expression des gènes chez la souris, ils ont identifié plusieurs membres de la famille des protéines "BMP" (Bone morphogenetic proteins) parmi plus de 20 000 candidats possibles.Pour vérifier qu’ils avaient vraiment identifié la bonne protéine, les chercheurs ont désactivé les récepteurs de protéines BMP dans la partie auditive du cerveau de la souris.

Selon Xiao, l’auteur principal de l’étude :

Le signal électrophysiologique, résultant du calice de Held, a été modifié de façon significative. Cela suggère une grande différence anatomique.

Les scientifiques ont ensuite reconstruit les synapses en trois dimensions à partir de tranches qui ont été observées au microscope électronique. Au lieu d’un seul grand Calice de Held, qui engloberait près de la moitié du neurone, l’image 3D du neurone montre clairement plusieurs petites synapses.

Selon les scientifiques :

Cela montre que le processus impliquant la protéine BMP n’entraine pas seulement la croissance d’une synapse, mais effectue aussi une sélection, en éliminant les autres.

L’impact de cette étude ira bien au-delà de la compréhension de notre système auditif. Les résultats suggèrent que la protéine BMP joue un rôle important dans le développement de la connectivité dans le cerveau.

L’équipe de l’EPFL enquête actuellement sur son rôle dans le reste du cerveau. Certains troubles neuropsychiatriques tels que la schizophrénie et l’autisme, sont caractérisés par le développement anormal de connexion synaptique dans certaines régions clés du cerveau. En identifiant et en expliquant le rôle de différentes protéines dans ce processus, les chercheurs espèrent être en mesure de faire la lumière sur ces troubles mal connus.

L’étude publiée sur Nature neuroscience : BMP signaling specifies the development of a large and fast CNS synapse.