Dendrites neurales
Du grec δένδρον déndron “arbre”, ce sont de petites branches qui sortent du corps cellulaire : la partie du neurone dans laquelle se trouve le noyau de la cellule. De plus, il existe encore une autre classe de processus microscopiques à la surface des dendrites. Ce sont de petites formations appelées épines dendritiques. Une partie de cet espace qui sépare les neurones les uns des autres sont les espaces dits synaptiques, qui sont les points par lesquels ces cellules nerveuses transmettent des informations à travers des substances appelées neurotransmetteurs.
Les dendrites sont des parties des neurones qui se trouvent dans tout le corps, c'est-à-dire à la fois dans le cerveau et la moelle épinière et dans ceux qui se trouvent dans les ganglions, les organes internes, les muscles, etc.
Les dendrites sont chargées de capter les produits chimiques qui sortent des extrémités des axones – extrémités des cellules nerveuses – et de transformer ou non ces signaux chimiques en impulsions électriques, bien que ce processus puisse également être déclenché dans le corps du neurone.
C'est-à-dire que c'est dans les dendrites et dans le corps neuronal que naissent les signaux électriques – également appelés potentiels d'action – qui traversent les neurones et se retrouvent aux extrémités des axones, provoquant la libération de produits chimiques par cette partie du neurone. Lorsque la quantité appropriée de neurotransmetteurs atteint les dendrites, une dépolarisation se produit, qui est le processus qui génère l'influx nerveux.
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Les neurosciences, pendant 60 ans, ont admis comme vrai que les noyaux généraient de brèves impulsions électriques pour se connecter et communiquer entre eux, et que ces impulsions activaient les dendrites, qui les transmettaient passivement à un autre neurone.
De nombreux modèles antérieurs supposaient que lorsque les noyaux de deux neurones sont activés en même temps, la perception, l'apprentissage et la formation de souvenirs se produisent.
Une découverte change radicalement les conceptions de la façon dont le cerveau traite l'information et modifie les notions de base des neurosciences.
Les dendrites génèrent leur propre activité électrique
Un groupe de chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA), dont l'étude a été publiée dans Science en janvier 2018, a découvert que les dendrites pouvaient en fait générer leur propre activité électrique, et avec une fréquence 10 fois supérieure à celle estimée.
Dans une étude menée chez la souris, les chercheurs ont réalisé que, si au lieu d'implanter des électrodes dans les dendrites elles sont placées près d'elles, ces processus seront 5 fois plus actifs que le noyau si la souris dort, et 10 fois plus actifs si elle est éveillée.
Leurs résultats indiquent que l'apprentissage peut se produire lorsque le neurone récepteur est actif en conjonction avec une dendrite, et il se pourrait que différentes parties des dendrites aient été actives à des moments différents, ce qui suggère qu'il peut y avoir beaucoup plus de flexibilité dans le processus d'apprentissage au sein du même neurone.
La recherche a également révélé que les dendrites sont capables de grandes fluctuations dans le voltage de leurs impulsions : elles sont binaires ou d'intensités différentes. Ils ont découvert que les dendrites sont des hybrides qui effectuent à la fois des processus analogiques et numériques, ce qui les rend fondamentalement différentes des ordinateurs purement numériques mais quelque peu similaires aux ordinateurs quantiques, qui sont analogiques. Cela aussi bouleverse les fondements des neurosciences, qui supposaient que les neurones étaient numériques : soit ils généraient une certaine impulsion, soit ils ne le faisaient pas. Mais ils ne montraient pas de fluctuations analogiques.
Ils ont souligné que comprendre que les dendrites sont beaucoup plus actives que le noyau change radicalement les conceptions de la façon dont le cerveau traite l'information. Cela peut ouvrir la voie à la compréhension et au traitement des troubles neurologiques et au développement d'ordinateurs similaires au cerveau.
Les propriétés électriques des dendrites, un facteur essentiel de l'intelligence humaine
Des recherches menées par des neuro-scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT), publiées dans le numéro d'octobre 2018 du Journal Cell, indiquent que les dendrites humaines ont des propriétés électriques différentes de celles des dendrites d'autres espèces.
Les neurones du cerveau humain reçoivent des signaux électriques de milliers d'autres cellules, et de longues extensions neurales appelées dendrites jouent un rôle essentiel dans l'incorporation de toutes ces informations afin que les cellules puissent réagir de manière appropriée.
À l'aide d'échantillons difficiles à obtenir de tissu cérébral humain, l'analyse révèle que les signaux électriques s'affaiblissent à mesure qu'ils circulent le long des dendrites humaines, ce qui entraîne un plus grand degré de compartimentation électrique, c'est-à-dire que de petites sections des dendrites peuvent se comporter indépendamment du reste du neurone.
Les auteurs de l'étude pensent que ces différences pourraient être liées à une intelligence humaine plus élevée. Les humains sont plus intelligents que les autres animaux non seulement parce que nous avons plus de neurones et un cortex cérébral plus gros, mais aussi parce que nos neurones se comportent différemment des autres animaux.
La structure d'un neurone ressemble souvent à un arbre, avec de nombreuses branches recevant des informations de loin dans le soma cellulaire. Des recherches antérieures ont montré que la force des signaux électriques atteignant le corps cellulaire dépend, en partie, de la distance parcourue le long de la dendrite pour s'y rendre. Au fur et à mesure que les signaux se propagent, ils deviennent plus faibles, de sorte qu'un signal qui atteint loin du corps cellulaire a moins d'impact qu'un signal plus proche.
Le cortex humain est organisé en six couches neurales distinctes. Les neurones de la 5ème couche ont des dendrites suffisamment longues pour atteindre la 1ère couche, ce qui signifie que les dendrites humaines ont dû s'allonger à mesure que le cerveau humain évoluait et que les signaux électriques devaient voyager beaucoup plus loin.
Ils ont utilisé une technique connue sous le nom d'électrophysiologie patch-clamp pour mesurer la façon dont les signaux électriques se déplacent le long des dendrites des neurones pyramidaux, qui sont le type le plus courant de neurones excitateurs dans le cortex.
Les chercheurs ont découvert que parce que les dendrites humaines couvrent de plus longues distances, un signal qui circule le long d'une dendrite humaine de la 1ère couche au soma d'une cellule de la 5ème couche est beaucoup plus faible que celui d'une dendrite de rat d'égale distance. En raison de ces différences, qui permettent à davantage de régions d'une dendrite d'influencer la force d'un signal entrant, les neurones individuels peuvent effectuer des calculs plus complexes de l'information.
Il existe de nombreuses autres différences entre les neurones humains et ceux d'autres espèces ; dans de futures études, les chercheurs espèrent explorer davantage l'impact exact de ces caractéristiques électriques et comment elles interagissent avec d'autres caractéristiques uniques des neurones humains pour produire plus d'énergie de calcul.
Des scientifiques détectent un nouveau type de communication entre les neurones matures
Une recherche menée par des scientifiques du département de pharmaco-biologie du Centre de recherche et d'études avancées (Cinvestav), Mexique, publiée dans le Journal of Neuroscience en novembre 2020, révèle la possibilité d'une synapse mixte entre les cellules principales de rongeurs adultes, c'est-à-dire que la communication chimique et électrique entre les neurones se produisent ensemble.
Ils ont mis en évidence les connexions électriques silencieuses entre les neurones et le fait que les protéines qui facilitent la connexion sont présentes, mais ne conduisent pas l'électricité à moins que l'environnement dans lequel elles se trouvent ne soit acidifié, ce qui se produit lors de processus pathologiques, tels que l'épilepsie ou l'anoxie (manque d'oxygène), entre autres.
Le fait que la communication chimique et électrique entre les neurones aille de pair, se traduit par une transmission plus efficace et plus rapide de l'information. De plus, l'échange d'informations électriques est bidirectionnel, ce qui ne se produit pas avec la communication chimique, ce qui signifie que de nouveaux circuits de flux d'informations peuvent être formés.
La façon de comprendre le fonctionnement de la communication neuronale a complètement changé. Avant cette découverte, on croyait qu'à mesure que le système nerveux mûrissait, la communication initialement électrique entre les neurones cédait la place à un processus entièrement chimique chez l'adulte.
Des scientifiques étudient les signaux électriques du cerveau en tant que biomarqueurs neurologiques
Des scientifiques de la Commission nationale de l'énergie atomique (CNEA) et du Conseil national de la recherche scientifique et technique (CONICET), Argentine, ont publié dans NeuroImage de novembre 2019, les avancées d'une recherche qui vise à rendre les traitements des troubles neurologiques moins invasifs.
Les scientifiques ont étudié certains modèles d'activité électrique neuronale pour voir s'ils pouvaient fonctionner comme des biomarqueurs de troubles neurologiques, tels que la maladie de Parkinson et l'épilepsie.
La procédure consiste à placer des électrodes sur le cerveau d'un patient, à travers lesquelles une région spécifique est stimulée afin de traiter les symptômes. Jusqu'à présent, on utilisait ce que l'on appelle un système en boucle ouverte, dans lequel une stimulation est appliquée en permanence, quel que soit l'état momentané du patient.
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| Modèle fonctionnel de détection des émotions par EEG |
Il est important de noter que lorsqu'une stimulation électrique est appliquée, un certain type de lésion tissulaire se produit toujours à long terme. C'est pourquoi on cherche toujours à l'appliquer pendant le temps le plus court possible, avec le moins de puissance possible, mais en gardant l'effet thérapeutique. Ce travail vise à trouver le meilleur moment, la circonstance dans laquelle la stimulation doit être appliquée pour que les meilleurs effets thérapeutiques soient obtenus.
Les résultats obtenus par les travaux des scientifiques soutiennent l'hypothèse qui postule le phénomène appelé couplage inter-fréquence (AIF) comme une caractéristique pouvant être utilisée pour mettre en œuvre un système de neuro-modulation adaptative.
Ces systèmes sont des appareils capables de lire l'activité électrique d'un groupe de neurones, identifiant si leur état est normal ou pathologique. Ils peuvent également agir sur le réseau neuronal avec des impulsions électriques pour modifier son état et passer d'un état pathologique à un état normal. C'est le cas de la thérapie dite de stimulation cérébrale profonde chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.
L'équipe de chercheurs a rapporté les résultats d'un modèle informatique qu'ils ont développé pour étudier l'AIF chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. L'activité neuronale a de nombreuses ondes oscillatoires qui donnent lieu à divers types d'AIF. Le modèle mathématique qu'ils ont développé vise à révéler les mécanismes par lesquels l'architecture des réseaux de neurones qui font partie du cerveau donne lieu au phénomène d'AIF. Dans le cas de la maladie de Parkinson, il existe des arguments qui soutiennent l'hypothèse de la pertinence de l'AIF en tant que biomarqueur potentiel pour aider à améliorer les thérapies existantes.
Ce résultat appuie l'hypothèse qui postule le phénomène d'AIF comme une caractéristique pouvant être utilisée pour mettre en œuvre un système de neuro modulation adaptative, un dispositif capable de “lire” l'activité électrique d'un groupe ou d'un réseau de neurones, identifiant par ses caractéristiques si l'état de ce réseau de neurones est normal ou pathologique et agir ensuite sur le réseau de neurones, par exemple, avec des impulsions électriques, dans le but de changer son état et de passer d'un état pathologique à un autre état similaire à l'état normal.
Un capteur moléculaire permet d'observer des signaux électriques dans des neurones vivants
Un nouveau capteur de voltage moléculaire nous permet d'observer en détail la propagation des signaux électriques dans les neurones vivants avec une haute résolution temporelle et spatiale, sans perturber leur activité, et en même temps révèle la chaîne de lumières qui propage la dynamique des cellules nerveuses dans le cerveau.
Éclairer le cerveau
La technologie, qui optimise les développements antérieurs avec des approches similaires, permet d'observer le fonctionnement des neurones sans les perturber. De cette façon, il est possible d'obtenir une vision plus précise des dysfonctionnements associés à certaines maladies neuronales.
Les différences de ce voltage sont utilisées par le nouveau capteur pour éclairer l'activité neuronale, mais sans l'affecter ni la soumettre à aucune pression. À la suite de "l'illumination", le processus révèle une chaîne de lumières autour des cellules nerveuses. A l'aide de protéines fluorescentes introduites par des modifications génétiques, les spécialistes obtiennent des "marqueurs" lumineux qui permettent de retracer la dynamique neuronale.
Améliorations et potentiel futur
Bien que la méthode ait été développée dans des recherches antérieures, la nouvelle étude parvient à l'améliorer considérablement. Par exemple la période de maintien de la luminosité est prolongée dans les zones d'action du capteur, favorisant une meilleure utilisation de la technique.
De plus, le capteur réagit plus rapidement et avec une plus grande sensibilité aux moindres changements des signaux électriques produits dans les neurones. De cette façon, il permet la visualisation et l'enregistrement de jusqu'à 100 impulsions électriques par seconde, élargissant considérablement le potentiel d'étude et d'analyse.
Sans aucun doute, la possibilité d'optimiser la visualisation des processus neuronaux dans les cellules vivantes est une avancée scientifique avec un potentiel énorme et un grand nombre d'applications, telles que la détection d'anomalies qui se produisent dans les pathologies neuro-dégénératives ou la reconnaissance de la façon précise dont le cerveau agit face à différents stimuli.
Selon les chercheurs, la nouvelle technique permettra d'étudier des questions qui étaient auparavant fermées à la recherche scientifique dans le domaine des neurosciences et permettra de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau.
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Les traces moléculaires que les expériences vécues laissent dans les dendrites et les terminaisons neuronales sont à la base du fonctionnement du système nerveux et de sa capacité à faire varier dynamiquement son activité. En même temps, ils sont une partie fondamentale du processus de gestion de la mémoire, qui sont des motifs imprimés dans les empreintes moléculaires avec lesquelles la cellule nerveuse fonctionne.
Il ne fait aucun doute qu'au cours des dernières décennies, les progrès dans la compréhension de l'activité cérébrale ont été notables et couvrent différents domaines d'application.
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