L'importance de la structure du système nerveux et de l'évolution du câblage neuronal

Une nouvelle étude, dans l'édition en ligne de cette semaine du Actes de l'Académie nationale des sciences , montre un degré incroyable de diversité biologique dans un endroit surprenant, c’est-à-dire dans une seule connexion neuronale dans la paroi corporelle des mouches. La découverte ouvre un nouveau spectre de questions intéressantes concernant l'importance de la structure du système nerveux et l'évolution du câblage neuronal.
Le généticien Barry Ganetzky, professeur de sciences biologiques à l'Université de Wisconsin-Madison de Steenbock, a déclaré:

"Nous ne savons presque rien de l'évolution du système nerveux, même si nous savons que cela doit se produire - les comportements changent, la complexité change, il y a l'addition de nouveaux neurones, la formation de différentes connexions synaptiques."

La découverte est d'autant plus étonnante que Ganetzky et son étudiante diplômée Megan Campbell ont découvert la diversité inattendue dans un endroit très familier aux scientifiques, à savoir la jonction neuromusculaire 4 (NMJ4), où un seul neurone moteur entre en contact avec un muscle particulier. mur du corps pour conduire son activité. Les synapses où les neurones se lient à leurs cibles neuronales ou musculaires ont une forme structurelle complexe, ressemblant à des arbres miniatures décorés de minuscules bulbes qui sont les terminaisons nerveuses (boutons synaptiques).
Ganetzky explique:

«Les synapses sont l’endroit où le transfert d’informations et les fonctions intégratives du système nerveux sont importantes. C’est l’endroit fondamental où se déroule le traitement de l’information.

Chaque muscle est alimenté par un neurone moteur différent qui forme un NMJ avec une forme, une taille et une géométrie caractéristiques pour ce NMJ particulier. Étant donné la cohérence de l’anatomie de la mouche, même les différentes espèces permettent aux chercheurs d’identifier exactement la même synapse chez différentes mouches. Le développement synaptique et la fonction de NMJ4 ont été bien documentés, et Ganetzky a utilisé NMJ4 pendant plus de 20 ans pour identifier des gènes avec une multitude de rôles biologiques allant des troubles du mouvement à la neurodégénérescence.
Le dernier projet découle d'un simple débat sur ce qui est réellement "normal" pour les mouches des fruits élevés en laboratoire et leurs homologues sauvages. Campbell a découvert lors d'un examen du NMJ4 de la mouche commune des fruits, Drosophila melanogaster, que la morphologie synaptique entre les mouches élevées en laboratoire et les mouches sauvages, ainsi qu'entre les souches de Madison et Wis. était cohérent, avec toutes les mouches ayant des tiges et des boutons semblables.

Encouragés par la découverte, ils ont décidé d’enquêter davantage. Ganetzky dit: "La drosophile est un genre très riche - des milliers d'espèces avec des comportements différents, des préférences alimentaires différentes, des environnements différents, des climats différents, des tailles différentes - avec plus de 50 millions d'années de divergence." Il peut être comparé à la séparation évolutive entre les souris et les humains.
Il ajoute que, indépendamment de ces différences, le plan corporel des larves est exactement le même chez toutes les espèces de drosophiles connues, indépendamment de leur taille, de leur habitat ou de leur source de nourriture.
"Cellule pour cellule, la musculature de la paroi corporelle et les modèles d'innervation sont identiques."
Ils ont commencé à étudier le NMJ4 chez d'autres espèces de drosophiles à l'aide de la collection de mouches de Sean B. Carroll, biologiste évolutionniste chez UW-Madison. Ils ont anticipé trouver des modèles prévisibles avec de petites variations lorsqu'ils se sont concentrés sur leur synapse cible chez 21 espèces différentes de Drosophila du monde entier, cependant, après avoir examiné seulement quelques espèces, Campbell a déclaré qu'une image différente a émergé.
Semblable à Drosophila melanogaster, chaque espèce avait un aspect caractéristique de NMJ4, mais cet aspect différait considérablement d'une espèce à l'autre. Alors que NMJ4 chez certaines espèces consistait en quelques boutons disposés selon un schéma simple non ramifié, d'autres avaient de nombreux boutons répartis sur plusieurs longues branches, ou beaucoup de boutons emballés dans des tonnelles denses et étroitement groupées.
Même si Ganetzky déclare: "Les résultats étaient absolument renversants - des variations qui dépassaient de loin tout ce que nous avions anticipé", il y avait plus de surprises.
Les variations saisissantes de complexité ne correspondaient pas à une relation évolutive entre les espèces, c’est-à-dire que les NMJ d’espèces plus étroitement apparentées ne se ressemblaient pas davantage que celles de mouches plus éloignées.
Ils ont même découvert des variations évidentes entre les espèces séparées par moins d'un million d'années d'évolution, les espèces qui paraissent si différentes que même les experts en mouches ont du mal à les distinguer en fonction de leur apparence. Selon les chercheurs, cette évolution rapide est étonnante, même si son importance biologique reste incertaine.
Une réponse à la question de savoir ce qui pourrait expliquer une telle variation extraordinaire pourrait être la possibilité d'une dérive génétique, une accumulation aléatoire de variations génétiques qui modifient l'apparence du NMJ, mais qui n'ont aucun impact sur l'organisme. Fondamentalement, tout NMJ qui sert le but suffira. Une autre alternative pourrait être que chaque NMJ soit formé par sélection naturelle en raison de sa taille et de sa structure particulières pour augmenter d'une manière ou d'une autre la survie ou le succès de reproduction des membres de cette espèce.
Avec l'aide de Bret Payseur et Beth Dumont, deux généticiens de UW-Madison, les chercheurs ont utilisé un modèle quantitatif pour examiner les différentes structures NMJ, en fonction du lien évolutif entre 11 espèces dont l'arbre évolutif est bien connu grâce au séquençage du génome.
Ganetzky dit que les résultats démontrent que la variabilité qu'ils ont observée ne semble pas être aléatoire, indiquant:
"Cela suggère qu’il ya une force motrice - la sélection naturelle - qui façonne la synapse pour qu’elle soit un moyen particulier."
Ils ont émis l'hypothèse que la fonction neuronale serait une cible de sélection évidente et une activité électrique mesurée dans le circuit, mais ont découvert que les enregistrements d'activité de quatre espèces pour représenter la complexité structurelle révélaient les mêmes mécanismes neurologiques indépendamment de la structure synaptique.

Selon les chercheurs, il peut exister des différences fonctionnelles subtiles entre les différentes structures de NMJ qui ne sont pas détectées par leur analyse, mais qui pourraient diverger en différences biologiques distinctes. Par exemple, la capacité d'apprentissage ou les réponses au stress qui constitueraient une cible pour la sélection naturelle.
Ganetzky commente:
"Nous pensons qu'il y a une raison pour laquelle la variation est importante, mais nous ne savons pas encore quelle est cette raison."
Campbell et Ganetzky étudient actuellement la question de savoir s’il existe ou non des mécanismes génétiques et moléculaires sous-jacents et l’importance biologique de cette variation naturelle.
Ganetzky conclut:

"Nous pensons que nous avons fait une découverte importante sur la nature qui, selon nous, ouvre toutes sortes de nouvelles portes. À ce stade, nous avons soulevé beaucoup, beaucoup plus de questions que nous n’avons répondu ... des questions sur l’évolution des systèmes nerveux, évolution du comportement, relation entre morphologie et fonction neuronale et synaptique. J'espère que cela capte l'intérêt des scientifiques dans de nombreux autres domaines pour appliquer leurs propres domaines d'expertise. "

Écrit par Petra Rattue