Les cellules étoiles : les astrocytes

Les cellules étoiles : les astrocytes

Linna Cheng

ABSTRAIT

Tout ce que nous faisons (sentir, bouger, ressentir, se souvenir…) repose sur l’activité des neurones dans le cerveau, les connexions entre eux et leur capacité à changer la force de ces connexions. Les astrocytes sont un type différent de cellules cérébrales que l’on croyait auparavant simplement soutenir l’activité des neurones. Des outils avancés nous permettent d’activer artificiellement des populations de cellules spécifiques dans des zones cérébrales spécifiques. En utilisant de tels outils, nous avons constaté que les astrocytes peuvent indépendamment renforcer les connexions entre les neurones et améliorer la mémoire. Nous montrons que cette amélioration de la mémoire est due à la capacité des astrocytes à n’améliorer que l’activité des neurones participant à l’apprentissage. Nos résultats suggèrent que les astrocytes ne sont pas simplement des cellules de soutien permettant la mémoire, mais qu’ils peuvent modifier activement la fonction des neurones.

CELLULES ÉTOILES DANS LE CERVEAU

Les cellules nerveuses (neurones) sont la population cellulaire la plus connue du cerveau. Ils répondent aux stimuli, communiquent entre eux, effectuent des calculs et transfèrent des informations sur de longues distances. La communication entre les neurones nous permet de ressentir, de penser, de parler, de ressentir et de bouger. En fait, presque toutes les caractéristiques que nous possédons, aussi complexes soient-elles, commencent dans nos cellules nerveuses. L’activité mentale, similaire à des processus comme la vision ou l’audition, est représentée dans notre cerveau par un groupe de cellules communiquant entre elles. La différence entre un processus et un autre, comme la différence entre voir et entendre, dépend des neurones actifs. La capacité des neurones à modifier la force des connexions entre eux définit le niveau de flexibilité de leur communication, et on pense qu’il est essentiel pour le traitement de l’information et la formation de la mémoire. Cependant, les neurones ne sont pas seuls (ils ne sont même pas la majorité) dans le cerveau. Plusieurs types de cellules gliales (glie signifie colle en grec) entourent et soutiennent les neurones.

Un type majeur de cellules gliales sont les astrocytes, ce qui signifie «cellules étoiles» en grec, appelées ainsi pour leur forme ( figure 1 ). Les astrocytes sont en contact étroit avec plusieurs cellules nerveuses dans le cerveau ( figure 2A ), et peuvent détecter l’activité de leurs neurones environnants et répondre aux changements de l’environnement. Cette sensibilité permet aux astrocytes de fournir plus d’énergie aux cellules nerveuses lorsqu’elles sont actives, d’éliminer les déchets et de libérer des facteurs de croissance essentiels pour aider les neurones à se développer. En plus de ces rôles de soutien, les astrocytes peuvent surveiller et modifier directement l’activité neuronale. Plusieurs études pionnières ont montré que les astrocytes sont nécessaires pour changer la communication neuronale

Le transfert d’informations d’un neurone à un autre dans un réseau. Chaque neurone du cerveau peut potentiellement interagir avec des milliers d’autres neurones, et la force de leurs connexions déterminera dans quelle mesure ils s’influenceront mutuellement, et donc pour la fonction de mémoire normale [ 1 ].

  • Figure 1 – Cellule nerveuse vs astrocyte.

Une cellule nerveuse (à droite) diffère d’un astrocyte (à gauche) par sa structure, entre autres. La cellule nerveuse est caractérisée par de longs et minces processus émergeant du corps cellulaire (partie circulaire), qui se ramifient rarement. L’astrocyte est caractérisé par une structure plus touffue, où chaque branche se divise plusieurs fois.

  • Figure 2 – Les cellules étoiles du cerveau.

(A) Les astrocytes («cellules étoiles», représentées en blanc) sont en contact étroit avec leurs neurones environnants (gris). 

(B) Grâce au génie génétique, les protéines permettant la modulation par des médicaments ou de la lumière (rouge) peuvent être spécifiquement exprimées dans les astrocytes, mais pas dans leurs neurones voisins.

LA MÉMOIRE ET SON AMÉLIORATION

Nos souvenirs guident nos comportements présents et futurs en fonction de nos expériences passées. Ils définissent qui nous sommes et comment nous vivons le monde. Pendant l’apprentissage, dans un processus appelé allocation de mémoire

Le processus déterminant quels neurones spécifiques représenteront une mémoire donnée.

, un groupe de neurones actifs est sélectionné pour servir de cellules qui «retiennent» une mémoire spécifique. Ces cellules auront tendance à être actives ensemble à partir de ce moment, de sorte qu’à chaque fois que cette mémoire est rappelée, ce groupe de neurones choisi sera réactivé [ 2 ]. Par conséquent, le rappel d’une mémoire dépend de la réactivation du même groupe de cellules qui ont été activées au moment de la création de la mémoire.

La perturbation de la mémoire est relativement facile à induire en laboratoire, mais ce que la plupart d’entre nous veulent vraiment, même si notre mémoire est parfaitement normale, c’est de l’améliorer encore. Cette aspiration à l’amélioration de la mémoire interpelle les scientifiques depuis de nombreuses années. La plupart des tentatives pour améliorer la mémoire se concentrent sur le renforcement des connexions entre les neurones ou la stimulation de la formation de souvenirs [ 2 , 3 ].

Est-il possible que les astrocytes puissent ressentir l’activité neuronale autour d’eux et utiliser ces informations pour améliorer la flexibilité de la communication neuronale et éventuellement améliorer la mémoire?

COMMENT ÉTUDIONS-NOUS LE RÔLE DES ASTROCYTES DANS LA MÉMOIRE?

De nombreuses études ont démontré la nécessité des astrocytes pour la flexibilité de la communication neuronale et pour la mémoire, en montrant que l’interruption de l’activité des astrocytes conduit à des problèmes avec ces fonctions. Cependant, les méthodes utilisées pour ces expériences étaient soit extrêmement prolongées (suppression d’une partie du cerveau, par exemple), soit pas entièrement spécifiques aux astrocytes. Pour étudier plus en détail la capacité des astrocytes à améliorer la mémoire chez les animaux qui se comportent, il faut une méthode pour contrôler artificiellement l’activité des astrocytes de manière spécifique, rapide et réversible. Récemment, des techniques de génie génétique permettant de telles expériences précises ont été développées pour les neurones, et ces techniques peuvent être utilisées de manière similaire dans les astrocytes ( figure 2B ). Une technique, appelée chimiogénétique

L’utilisation de récepteurs artificiels activés par des médicaments autrement inertes, pour moduler l’activité de cellules sélectionnées.

, permet aux chercheurs de rendre une population cellulaire spécifique sensible à un médicament auquel les cellules ne sont généralement pas sensibles. Une autre technique, appelée optogénétique

L’utilisation de protéines activées par la lumière pour contrôler des cellules sélectionnées.

, peut de même transformer une population spécifique de cellules sensibles à la lumière. Par exemple, nous pouvons activer spécifiquement les astrocytes, sans affecter les neurones ou tout autre type de cellules du cerveau, en utilisant la chimiogénétique, de manière rapide (en quelques minutes) et réversible (disparue en quelques heures). De même, nous pouvons choisir d’activer les neurones mais pas les astrocytes.

À l’aide de ces outils, nous avons cherché à savoir si l’activité astrocytaire était non seulement nécessaire, mais également suffisante pour induire des changements dans la communication neuronale et améliorer la mémoire [ 4 ].

ACTIVATION DES ASTROCYTES POUR L’AMÉLIORATION DE LA MÉMOIRE

Lorsque nous avons activé les astrocytes dans l’hippocampe, qui est la région du cerveau responsable de la mémoire, nous avons constaté qu’ils peuvent augmenter indépendamment la force des connexions entre les neurones dans cette région ( figure 3A ) [ 4 ]. Il semble que les astrocytes ne sont pas seulement nécessaires à la capacité des neurones à renforcer leurs connexions, mais que leur activation peut en fait provoquer ce changement dans les neurones.

Sur la base de cette découverte surprenante, nous avons ensuite testé si les astrocytes peuvent également améliorer les performances de la mémoire. Dans un paradigme comportemental appelé «conditionnement de la peur», nous avons appris aux souris à reconnaître un environnement spécifique et à l’associer à un événement effrayant. Nous avons ensuite testé leurs souvenirs le lendemain ( figure 3B ). Les astrocytes ont été activés soit pendant l’apprentissage, soit pendant le rappel, pour tester l’implication de ces cellules dans la formation et le rappel de la mémoire. L’activation des astrocytes pendant l’apprentissage a considérablement amélioré la mémoire le lendemain ( figure 3C ), tandis que l’activation astrocytaire pendant le rappel n’a eu aucun effet [ 4 ]. Ces résultats, qui ont été récemment reproduits par un autre groupe [ 5], suggèrent que les astrocytes peuvent améliorer l’acquisition de la mémoire, mais ils n’améliorent pas la récupération de la mémoire.

Nos découvertes selon lesquelles l’activation astrocytaire a renforcé la connectivité neuronale et amélioré la mémoire soulèvent l’hypothèse tentante que les astrocytes réagissent à l’activité neuronale autour d’eux et régulent cette activité neuronale de manière significative, conduisant à une mémoire améliorée. Alternativement, l’amélioration de la mémoire pourrait simplement être causée par une augmentation générale de l’activité neuronale stimulée par les astrocytes, suggérant qu’ils ne jouent aucun rôle «intelligent» dans la mémoire. Pour tester cette dernière possibilité, nous avons directement activé des neurones (au lieu des astrocytes) dans l’hippocampe. L’activation neuronale pendant l’apprentissage n’a pas amélioré la mémoire ( figure 2C ). Au contraire, elle induisait une grave altération de la mémoire [ 4]. Cela suggère qu’une augmentation générale de l’activité neuronale ne peut pas expliquer l’amélioration de la mémoire causée par les astrocytes, mais plutôt que les cellules des astrocytes jouent un rôle plus sophistiqué dans le processus d’apprentissage.

LES ASTROCYTES AFFECTENT L’ACTIVITÉ NEURONALE LORSQU’ILS SONT ASSOCIÉS À L’APPRENTISSAGE

Pourquoi l’activation astrocytaire améliore-t-elle la mémoire alors que l’activation neuronale la gêne? Des recherches antérieures avaient montré qu’un petit groupe de neurones actifs pendant l’apprentissage est plus susceptible de faire partie de l’ensemble supportant cette mémoire. De tels ensembles sont plus tard nécessaires pour le rappel, et l’augmentation de l’activité de cette petite population neuronale avant l’entraînement peut améliorer la mémoire

Pour montrer que l’amélioration de la mémoire est causée par les astrocytes et qu’elle n’est pas simplement due à l’augmentation générale de l’activité neuronale, mais plutôt à une réponse des astrocytes à l’activité de leurs neurones environnants, nous avons effectué l’expérience suivante: nous avons activé soit les astrocytes, soit neurones dans deux groupes de souris – un groupe qui a été exposé à un nouvel emplacement pour acquérir une nouvelle mémoire, et un autre groupe qui est simplement resté dans leur cage familiale familière et n’a pas développé de nouvelle mémoire. Nous avons ensuite mesuré le nombre de neurones actifs dans chaque groupe de souris. L’activation des astrocytes a augmenté l’activité des neurones uniquement lorsqu’elle est associée à l’apprentissage, mais pas chez les souris en cage ( figure 3D ). L’activation neuronale a augmenté le nombre de neurones actifs, qu’une nouvelle mémoire soit créée ou non [ 4].

Nos résultats montrent que l’activation astrocytaire augmente l’activation des neurones de manière dépendante de la tâche, uniquement lorsqu’elle est associée à l’apprentissage, conduisant à une meilleure allocation de la mémoire. L’activation directe des neurones, en revanche, provoque une augmentation non sélective de l’activité indépendamment des expériences externes, ce qui altère la distinction entre activité importante et non pertinente et altère la mémoire.

 

  • Figure 3 – Astrocytes pour l’amélioration de la mémoire.
  • (A) L’activation astrocytaire augmente la force des connexions entre les neurones et provoque une amélioration de la réponse neuronale. 
  • (B) La mémoire chez la souris peut être mesurée par le conditionnement de la peur. Dans cette méthode, les souris apprennent à associer un nouvel emplacement à un choc électrique au pied. Lorsqu’elles sont réexposées à cet environnement, les souris montreront la peur, même si aucun choc n’est présent à ce moment-là. 
  • (C) L’ activation astrocytaire (cramoisie) pendant l’acquisition de la mémoire améliore le rappel de la mémoire de peur le lendemain, tandis que l’activation neuronale (jaune) nuit à la récupération, par rapport à un groupe témoin (bleu).

(RÉ) L’activation astrocytaire modulait l’activité neuronale de manière dépendante de la tâche. Plus précisément, il n’augmente le nombre de neurones actifs que lorsqu’il est associé à un apprentissage par conditionnement de la peur. L’activation directe des neurones augmente le nombre de neurones actifs, que l’apprentissage ait lieu ou non.

CONCLUSIONS ET POTENTIEL FUTUR

Nos découvertes selon lesquelles les astrocytes peuvent induire une flexibilité avec la communication entre les neurones et améliorer la mémoire suggèrent que les astrocytes ont la capacité de calculer indépendamment des informations spécifiques à une tâche en fonction de leur activité neuronale environnante et de les utiliser pour moduler de manière optimale le circuit neuronal. En d’autres termes, les astrocytes ne sont pas seulement des cellules de soutien permettant des changements dans les connexions neuronales et cognitives

Le processus mental d’apprentissage de la perception, de la pensée et de la comparaison avec l’expérience antérieure.

 fonctionnent, mais jouent en fait un rôle actif – ils peuvent changer et améliorer activement la fonction des réseaux de neurones responsables de nos pensées, émotions et perceptions.

La capacité des astrocytes à augmenter l’acquisition de la mémoire peut avoir des implications cliniques importantes pour les traitements d’amélioration cognitive. L’avantage majeur de travailler avec l’astrocytaire pour améliorer la mémoire est que les astrocytes agissent spécifiquement sur les neurones actifs, ils n’activent généralement pas tous les neurones du cerveau. Cette spécificité pourrait aider les scientifiques à développer des médicaments pour aider à améliorer la mémoire sans activer d’autres cellules cérébrales qui ne sont pas impliquées dans le processus de création de la mémoire.

Glossaire

Communication Neuronale :  Le transfert d’informations d’un neurone à un autre dans un réseau. Chaque neurone du cerveau peut potentiellement interagir avec des milliers d’autres neurones, et la force de leurs connexions déterminera dans quelle mesure ils s’influenceront mutuellement.

Allocation de mémoire :  Le processus déterminant quels neurones spécifiques représenteront une mémoire donnée.

Chimogénétique :  Utilisation de récepteurs artificiels activés par des médicaments autrement inertes, pour moduler l’activité de cellules sélectionnées.

Optogénétique :  Utilisation de protéines activées par la lumière pour contrôler des cellules sélectionnées.

Cognitif :  Le processus mental d’apprentissage de la perception, de la pensée et de la comparaison avec l’expérience antérieure.

CONFLIT D’INTÉRÊT

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Article source original

 Adamsky, A., Kol, A., Kreisel, T., Doron, A., Ozeri-Engelhard, N., Melcer, T., et al. 2018. L’activation astrocytaire génère une potentialisation neuronale de novo et une amélioration de la mémoire. Cellule 174: 59–71.e14. doi: 10.1016 / j.cell.2018.05.002

Références

[1]  Araque, A., Carmignoto, G., Haydon, PG, Oliet, SH, Robitaille, R. et Volterra, A. 2014. Les gliotransmetteurs voyagent dans le temps et l’espace. Neuron 81: 728–39. doi: 10.1016 / j.neuron.2014.02.007

[2]  Josselyn, SA, Kohler, S. et Frankland, PW 2015. Trouver l’engramme. Nat. Rev. Neurosci. 16: 521–34. doi: 10.1038 / nrn4000

[3]  Lee, YS et Silva, AJ 2009. La biologie moléculaire et cellulaire de la cognition améliorée. Nat. Rev. Neurosci. 10: 126–40. doi: 10.1038 / nrn2572

[4] ^ Adamsky, A., Kol, A., Kreisel, T., Doron, A., Ozeri-Engelhard, N., Melcer, T., et al. 2018. L’activation astrocytaire génère une potentialisation neuronale de novo et une amélioration de la mémoire. Cellule 174: 59–71.e14. doi: 10.1016 / j.cell.2018.05.002

[5]  Mederos, S., Hernández-Vivanco, A., Ramírez-Franco, J., Martín-Fernández, M., Navarrete, M., Yang, A., et al. 2019. Mélanopsine pour une activation optogénétique précise des réseaux astrocytes-neurones. Glia 67: 915–34. doi: 10.1002 / glia.23580

Informations sur l’article

Citation

Refaeli R et Goshen I (2020) Les cellules étoiles de la mémoire – Astrocytes. De face. Jeunes esprits. 8:40. doi: 10.3389 / frym.2020.00040

Éditeur

Idan Segev

Dates de publication

Soumis: 5 mars 2020; Accepté: 13 mars 2020; Publié en ligne: 7 mai 2020.

Copyright © 2020 Refaeli et Goshen

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