Développement du système nerveux - Development of the nervous system
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Le développement du système nerveux , ou développement neural , ou neurodéveloppement , fait référence aux processus qui génèrent, façonnent et remodèlent le système nerveux des animaux, depuis les premiers stades du développement embryonnaire jusqu'à l'âge adulte. Le domaine du développement neuronal s'appuie à la fois sur les neurosciences et la biologie du développement pour décrire et donner un aperçu des mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels les systèmes nerveux complexes se développent, des nématodes et mouches des fruits aux mammifères .
Les défauts du développement neural peuvent entraîner des malformations telles que l' holoprosencéphalie et une grande variété de troubles neurologiques, notamment la parésie et la paralysie des membres , des troubles de l'équilibre et de la vision, des convulsions , et chez l' homme d' autres troubles tels que le syndrome de Rett , le syndrome de Down et la déficience intellectuelle .
Aperçu du développement du cerveau des vertébrés
Le système nerveux central (SNC) des vertébrés est dérivé de l' ectoderme , la couche germinale la plus externe de l'embryon. Une partie de l'ectoderme dorsal devient spécifique à l'ectoderme neural - neuroectoderme qui forme la plaque neurale le long de la face dorsale de l'embryon. Cela fait partie de la structuration précoce de l'embryon (y compris l'embryon invertébré) qui établit également un axe antéro-postérieur. La plaque neurale est la source de la majorité des neurones et des cellules gliales du SNC. Le sillon neural se forme le long du grand axe de la plaque neurale, et la plaque neurale se replie pour donner naissance au tube neural . Lorsque le tube est fermé aux deux extrémités, il est rempli de liquide céphalo-rachidien embryonnaire. Au fur et à mesure que l'embryon se développe, la partie antérieure du tube neural se dilate et forme trois vésicules cérébrales primaires , qui deviennent le cerveau antérieur ( prosencéphale ), le mésencéphale ( mésencéphale ) et le cerveau postérieur ( rhombencéphale ). Ces vésicules simples et précoces s'agrandissent et se divisent en télencéphale (futurs cortex cérébral et noyaux gris centraux ), diencéphale (futurs thalamus et hypothalamus ), mésencéphale (futurs colliculi ), métencéphale (futurs ponts et cervelet ) et myélencéphale (future médullaire ). La chambre centrale remplie de LCR est continue du télencéphale au canal central de la moelle épinière et constitue le système ventriculaire en développement du SNC. Le liquide céphalo-rachidien embryonnaire diffère de celui formé à des stades de développement ultérieurs et du LCR adulte ; il influence le comportement des précurseurs neuraux. Parce que le tube neural donne naissance au cerveau et à la moelle épinière, toute mutation à ce stade du développement peut entraîner des malformations mortelles comme l' anencéphalie ou des handicaps permanents comme le spina bifida . Pendant ce temps, les parois du tube neural contiennent des cellules souches neurales , qui stimulent la croissance du cerveau car elles se divisent plusieurs fois. Progressivement, certaines cellules cessent de se diviser et se différencient en neurones et cellules gliales , qui sont les principaux composants cellulaires du SNC. Les neurones nouvellement générés migrent vers différentes parties du cerveau en développement pour s'auto-organiser en différentes structures cérébrales. Une fois que les neurones ont atteint leurs positions régionales, ils étendent les axones et les dendrites , ce qui leur permet de communiquer avec d'autres neurones via des synapses . La communication synaptique entre les neurones conduit à l'établissement de circuits neuronaux fonctionnels qui interviennent dans le traitement sensoriel et moteur et sous-tendent le comportement.
Aspects
Certains jalons du développement neural comprennent la naissance et la différenciation des neurones à partir de précurseurs de cellules souches , la migration des neurones immatures de leur lieu de naissance dans l'embryon à leurs positions finales, l'excroissance des axones et des dendrites des neurones, le guidage du cône de croissance mobile à travers l'embryon envers les partenaires postsynaptiques, la génération de synapses entre ces axones et leurs partenaires postsynaptiques, et enfin les changements tout au long de la vie des synapses, qui sont censés sous-tendre l'apprentissage et la mémoire.
Typiquement, ces processus neurodéveloppementaux peuvent être largement divisés en deux classes : les mécanismes indépendants de l' activité et les mécanismes dépendants de l'activité . On pense généralement que les mécanismes indépendants de l'activité se produisent sous forme de processus câblés déterminés par des programmes génétiques joués dans des neurones individuels. Ceux-ci incluent la différenciation , la migration et le guidage axonal vers leurs zones cibles initiales. Ces processus sont considérés comme indépendants de l'activité neuronale et de l'expérience sensorielle. Une fois que les axones atteignent leurs zones cibles, des mécanismes dépendants de l'activité entrent en jeu. Bien que la formation des synapses soit un événement indépendant de l'activité, la modification des synapses et l'élimination des synapses nécessitent une activité neuronale.
Les neurosciences du développement utilisent une variété de modèles animaux dont la souris Mus musculus , la mouche des fruits Drosophila melanogaster , le poisson zèbre Danio rerio , la grenouille Xenopus laevis et le ver rond Caenorhabditis elegans .
La myélinisation , la formation de la gaine de myéline lipidique autour des axones neuronaux, est un processus essentiel au fonctionnement normal du cerveau. La gaine de myéline fournit une isolation pour l'influx nerveux lors de la communication entre les systèmes neuronaux. Sans elle, l'impulsion serait perturbée et le signal n'atteindrait pas sa cible, altérant ainsi le fonctionnement normal. Parce qu'une grande partie du développement du cerveau se produit au stade prénatal et dans la petite enfance, il est crucial que la myélinisation, ainsi que le développement cortical se produisent correctement. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique non invasive utilisée pour étudier la myélinisation et la maturation corticale (le cortex est la couche externe du cerveau composée de matière grise ). Plutôt que de montrer la myéline réelle, l'IRM détecte la fraction d'eau de myéline, une mesure de la teneur en myéline. La relaxométrie multi-composants (MCR) permet la visualisation et la quantification du contenu en myéline. La MCR est également utile pour suivre la maturation de la substance blanche, qui joue un rôle important dans le développement cognitif. Il a été découvert que dans la petite enfance, la myélinisation se produit dans un schéma caudale-crânien, postérieur à antérieur. Parce qu'il y a peu de preuves d'une relation entre la myélinisation et l'épaisseur corticale, il a été révélé que l'épaisseur corticale est indépendante de la substance blanche. Cela permet à divers aspects du cerveau de se développer simultanément, conduisant à un cerveau plus développé.
Induction neuronale
Au début du développement embryonnaire du vertébré, l'ectoderme dorsal se précise pour donner naissance à l' épiderme et au système nerveux ; une partie de l'ectoderme dorsal se précise à l'ectoderme neural pour former la plaque neurale qui donne naissance au système nerveux. La conversion de l'ectoderme indifférencié en neuroectoderme nécessite des signaux du mésoderme . Au début de la gastrulation, les cellules mésodermiques présumées se déplacent à travers la lèvre dorsale du blastopore et forment une couche de mésoderme entre l' endoderme et l'ectoderme. Les cellules mésodermiques migrent le long de la ligne médiane dorsale pour donner naissance à la notocorde qui se développe dans la colonne vertébrale . Le neuroectoderme recouvrant la notocorde se développe dans la plaque neurale en réponse à un signal diffusible produit par la notocorde. Le reste de l'ectoderme donne naissance à l'épiderme. La capacité du mésoderme à convertir l'ectoderme sus-jacent en tissu neural est appelée induction neurale .
Dans l'embryon précoce, la plaque neurale se replie vers l'extérieur pour former le sillon neural . À partir de la future région du cou, les plis neuraux de ce sillon se ferment pour créer le tube neural . La formation du tube neural à partir de l'ectoderme est appelée neurulation . La partie ventrale du tube neural est appelée plaque basale ; la partie dorsale s'appelle la plaque alaire . L'intérieur creux est appelé canal neural et les extrémités ouvertes du tube neural, appelées neuropores, se ferment.
Une lèvre de blastopore transplantée peut convertir l'ectoderme en tissu neural et aurait un effet inducteur. Les inducteurs neuronaux sont des molécules qui peuvent induire l'expression de gènes neuronaux dans des explants d' ectoderme sans induire également de gènes mésodermiques. L'induction neurale est souvent étudiée chez les embryons de Xénope car ils ont un plan corporel simple et il existe de bons marqueurs pour distinguer les tissus neuronaux et non neuronaux. Des exemples d'inducteurs de neurones sont les molécules noggine et chordin .
Lorsque les cellules ectodermiques embryonnaires sont cultivées à faible densité en l'absence de cellules mésodermiques, elles subissent une différenciation neurale (expriment des gènes neuraux), ce qui suggère que la différenciation neurale est le destin par défaut des cellules ectodermiques. Dans les cultures d'explants (qui permettent des interactions directes cellule-cellule), les mêmes cellules se différencient en épiderme. Ceci est dû à l'action de BMP4 (une protéine de la famille TGF-β ) qui induit la différenciation des cultures ectodermiques en épiderme. Au cours de l'induction neurale, la noggine et la cordine sont produites par le mésoderme dorsal (notocorde) et diffusent dans l'ectoderme sus-jacent pour inhiber l'activité de BMP4. Cette inhibition de BMP4 amène les cellules à se différencier en cellules neurales. L'inhibition de la signalisation TGF-β et BMP (protéine morphogénétique osseuse) peut induire efficacement le tissu neural à partir de cellules souches pluripotentes .
Régionalisation
Dans un stade ultérieur de développement, la partie supérieure du tube neural se fléchit au niveau du futur mésencéphale—le mésencéphale , au niveau de la flexion mésencéphalique ou de la flexion céphalique . Au-dessus du mésencéphale se trouve le prosencéphale (futur cerveau antérieur) et en dessous se trouve le rhombencéphale (futur cerveau postérieur).
La plaque alaire du prosencéphale se dilate pour former le télencéphale qui donne naissance aux hémisphères cérébraux , tandis que sa plaque basale devient le diencéphale . La vésicule optique (qui devient finalement le nerf optique, la rétine et l'iris) se forme au niveau de la plaque basale du prosencéphale.
Modélisation du système nerveux
Chez les cordés , l'ectoderme dorsal forme tout le tissu neural et le système nerveux. La structuration se produit en raison de conditions environnementales spécifiques - différentes concentrations de molécules de signalisation
Axe dorsoventral
La moitié ventrale de la plaque neurale est contrôlée par la notocorde , qui agit comme « l'organisateur ». La moitié dorsale est contrôlée par la plaque ectoderme , qui flanque de chaque côté de la plaque neurale.
L'ectoderme suit une voie par défaut pour devenir du tissu neural. La preuve en est fournie par des cellules uniques d'ectoderme cultivées, qui forment ensuite du tissu neural. Ceci est supposé être dû à un manque de BMP , qui sont bloqués par l'organisateur. L'organisateur peut produire des molécules telles que la follistatine , la noggine et la cordine qui inhibent les BMP.
Le tube neural ventral est modelé par le hérisson sonique (Shh) de la notocorde, qui agit comme le tissu inducteur. Shh dérivé de la notochorde signale la plaque de sol et induit l'expression de Shh dans la plaque de sol. Shh dérivé de la plaque de plancher signale ensuite à d'autres cellules du tube neural et est essentiel pour une spécification correcte des domaines progéniteurs des neurones ventraux. La perte de Shh de la notocorde et/ou de la plaque de plancher empêche une spécification correcte de ces domaines progéniteurs. Shh se lie à Patched1 , soulageant l'inhibition médiée par Patched de Smoothened , conduisant à l'activation de la famille Gli de facteurs de transcription ( GLI1 , GLI2 et GLI3 ).
Dans ce contexte, Shh agit comme un morphogène - il induit une différenciation cellulaire en fonction de sa concentration. À de faibles concentrations, il forme des interneurones ventraux , à des concentrations plus élevées, il induit le développement de motoneurones et, à des concentrations plus élevées, il induit une différenciation des plaques de plancher. L'échec de la différenciation modulée par Shh provoque une holoprosencéphalie .
Le tube neural dorsal est modelé par les BMP de l'ectoderme épidermique flanquant la plaque neurale. Ceux-ci induisent des interneurones sensoriels en activant les kinases Sr/Thr et en modifiant les niveaux de facteur de transcription SMAD .
Axe rostrocaudal (antéropostérieur)
Les signaux qui contrôlent le développement neural antéropostérieur comprennent le FGF et l'acide rétinoïque , qui agissent dans le cerveau postérieur et la moelle épinière. Le cerveau postérieur, par exemple, est modelé par les gènes Hox , qui sont exprimés dans des domaines qui se chevauchent le long de l'axe antéropostérieur sous le contrôle de l'acide rétinoïque. Les gènes 3' (3 prime end) du cluster Hox sont induits par l'acide rétinoïque dans le cerveau postérieur, tandis que les gènes 5' (5 prime end) Hox ne sont pas induits par l'acide rétinoïque et sont exprimés plus en arrière dans la moelle épinière. Hoxb-1 est exprimé dans le rhombomère 4 et donne naissance au nerf facial . Sans cette expression Hoxb-1, un nerf similaire au nerf trijumeau apparaît.
Neurogenèse
La neurogenèse est le processus par lequel les neurones sont générés à partir de cellules souches neurales et de cellules progénitrices . Les neurones sont « post-mitotiques », ce qui signifie qu'ils ne se diviseront plus jamais pendant toute la durée de vie de l'organisme.
Les modifications épigénétiques jouent un rôle clé dans la régulation de l'expression des gènes dans la différenciation des cellules souches neurales et sont essentielles pour la détermination du destin cellulaire dans le cerveau des mammifères en développement et adultes. Les modifications épigénétiques incluent la méthylation de la cytosine de l'ADN pour former la 5-méthylcytosine et la déméthylation de la 5-méthylcytosine . La méthylation de l'ADN cytosine est catalysée par les ADN méthyltransférases (DNMT) . La déméthylation de la méthylcytosine est catalysée en plusieurs étapes séquentielles par des enzymes TET qui effectuent des réactions oxydatives (par exemple 5-méthylcytosine en 5-hydroxyméthylcytosine ) et des enzymes de la voie de réparation par excision de base d' ADN (BER).
Migration neuronale
La migration neuronale est la méthode par laquelle les neurones voyagent de leur origine ou lieu de naissance à leur position finale dans le cerveau. Ils peuvent le faire de plusieurs manières, par exemple par migration radiale ou migration tangentielle. Des séquences de migration radiale (également connue sous le nom de guidage glial) et de translocation somal ont été capturées par microscopie time-lapse .
Migration radiale
Les cellules précurseurs neuronales prolifèrent dans la zone ventriculaire du néocortex en développement , où la principale cellule souche neurale est la cellule gliale radiale . Les premières cellules postmitotiques doivent quitter la niche des cellules souches et migrer vers l'extérieur pour former la préplaque, qui est destinée à devenir des cellules de Cajal-Retzius et des neurones de la sous - plaque . Ces cellules le font par translocation somal. Les neurones qui migrent avec ce mode de locomotion sont bipolaires et attachent le bord d'attaque du processus à la pie . Le soma est ensuite transporté vers la surface piale par nucléokinèse , un processus par lequel une « cage » de microtubules autour du noyau s'allonge et se contracte en association avec le centrosome pour guider le noyau vers sa destination finale. Les cellules gliales radiales , dont les fibres servent d'échafaudage aux cellules migrantes et de moyen de communication radiale médiée par l'activité dynamique du calcium, agissent comme la principale cellule souche neuronale excitatrice du cortex cérébral ou se déplacent vers la plaque corticale et se différencient soit en astrocytes soit en neurones . La translocation somale peut survenir à tout moment au cours du développement.
Les vagues subséquentes de neurones divisent la préplaque en migrant le long des fibres gliales radiales pour former la plaque corticale. Chaque vague de cellules migrantes passe devant leurs prédécesseurs en formant des couches à l'envers, ce qui signifie que les neurones les plus jeunes sont les plus proches de la surface. On estime que la migration guidée gliale représente 90 % des neurones en migration chez l'homme et environ 75 % chez les rongeurs.
Migration tangentielle
La plupart des interneurones migrent tangentiellement à travers plusieurs modes de migration pour atteindre leur emplacement approprié dans le cortex. Un exemple de migration tangentielle est le mouvement des interneurones de l' éminence ganglionnaire vers le cortex cérébral. Un exemple de migration tangentielle continue chez un organisme mature, observé chez certains animaux, est le flux migratoire rostral reliant la zone sous-ventriculaire et le bulbe olfactif .
Migration axophile
De nombreux neurones migrant le long de l'axe antéro-postérieur du corps utilisent les voies axonales existantes pour migrer le long de; c'est ce qu'on appelle la migration axophile. Un exemple de ce mode de migration se trouve dans les neurones exprimant la GnRH , qui effectuent un long voyage depuis leur lieu de naissance dans le nez, à travers le cerveau antérieur et dans l'hypothalamus. De nombreux mécanismes de cette migration ont été élaborés, à commencer par les signaux de guidage extracellulaires qui déclenchent la signalisation intracellulaire. Ces signaux intracellulaires, tels que la signalisation calcique , conduisent à la dynamique cytosquelettique de l' actine et des microtubules , qui produisent des forces cellulaires qui interagissent avec l'environnement extracellulaire par le biais de protéines d'adhésion cellulaire pour provoquer le mouvement de ces cellules.
Migration multipolaire
Il existe également une méthode de migration neuronale appelée migration multipolaire . Cela se voit dans les cellules multipolaires, qui chez l'homme, sont présentes en abondance dans la zone intermédiaire corticale . Ils ne ressemblent pas aux cellules migrant par locomotion ou translocation somale. Au lieu de cela, ces cellules multipolaires expriment des marqueurs neuronaux et étendent de multiples processus minces dans diverses directions indépendamment des fibres gliales radiales.
Facteurs neurotrophiques
La survie des neurones est régulée par des facteurs de survie, appelés facteurs trophiques. L'hypothèse neurotrophique a été formulée par Victor Hamburger et Rita Levi Montalcini sur la base d'études du système nerveux en développement. Victor Hamburger a découvert que l'implantation d'un membre supplémentaire chez le poussin en développement entraînait une augmentation du nombre de motoneurones spinaux. Au départ, il pensait que le membre supplémentaire induisait la prolifération des motoneurones, mais lui et ses collègues ont montré plus tard qu'il y avait beaucoup de mort de motoneurones au cours du développement normal et que le membre supplémentaire empêchait cette mort cellulaire. Selon l'hypothèse neurotrophique, les axones en croissance rivalisent pour des quantités limitées de facteurs trophiques dérivés de la cible et les axones qui ne reçoivent pas un soutien trophique suffisant meurent par apoptose. Il est maintenant clair que les facteurs produits par un certain nombre de sources contribuent à la survie neuronale.
- Nerve Growth Factor (NGF) : Rita Levi Montalcini et Stanley Cohen ont purifié le premier facteur trophique, Nerve Growth Factor (NGF), pour lequel ils ont reçu le prix Nobel. Il existe trois facteurs trophiques liés au NGF : BDNF, NT3 et NT4, qui régulent la survie de diverses populations neuronales. Les protéines Trk agissent comme des récepteurs du NGF et des facteurs associés. Trk est un récepteur tyrosine kinase. La dimérisation et la phosphorylation de Trk conduisent à l'activation de diverses voies de signalisation intracellulaires, notamment les voies MAP kinase, Akt et PKC.
- CNTF : Le facteur neurotrophique ciliaire est une autre protéine qui agit comme facteur de survie pour les motoneurones. Le CNTF agit via un complexe récepteur qui comprend CNTFRα, GP130 et LIFRβ. L'activation du récepteur conduit à la phosphorylation et au recrutement de la kinase JAK, qui à son tour phosphoryle LIFR β. LIFRβ agit comme un site d'amarrage pour les facteurs de transcription STAT. La kinase JAK phosphoryle les protéines STAT, qui se dissocient du récepteur et se déplacent vers le noyau pour réguler l'expression des gènes.
- GDNF : Le facteur neurotrophique dérivé de la glie est un membre de la famille des protéines TGFb et est un facteur trophique puissant pour les neurones striataux. Le récepteur fonctionnel est un hétérodimère, composé de récepteurs de type 1 et de type 2. L'activation du récepteur de type 1 conduit à la phosphorylation des protéines Smad, qui se déplacent vers le noyau pour activer l'expression des gènes.
Formation des synapses
Jonction neuromusculaire
Une grande partie de notre compréhension de la formation des synapses provient d'études à la jonction neuromusculaire. L'émetteur de cette synapse est l'acétylcholine. Le récepteur de l'acétylcholine (AchR) est présent à la surface des cellules musculaires avant la formation des synapses. L'arrivée du nerf induit le regroupement des récepteurs au niveau de la synapse. McMahan et Sanes ont montré que le signal synaptogène est concentré au niveau de la lame basale . Ils ont également montré que le signal synaptogène est produit par le nerf, et ils ont identifié le facteur comme étant Agrin . L'agrine induit le regroupement des AchR sur la surface musculaire et la formation des synapses est perturbée chez les souris knock-out pour l'agrine. L'agrine transduit le signal via le récepteur MuSK en rapsyne . Fischbach et ses collègues ont montré que les sous-unités du récepteur sont transcrites sélectivement à partir des noyaux situés à côté du site synaptique. Ceci est médié par les neurégulines.
Dans la synapse mature, chaque fibre musculaire est innervée par un motoneurone. Cependant, au cours du développement, de nombreuses fibres sont innervées par plusieurs axones. Lichtman et ses collègues ont étudié le processus d'élimination des synapses. Il s'agit d'un événement dépendant de l'activité. Le blocage partiel du récepteur conduit à la rétraction des terminaisons présynaptiques correspondantes. Plus tard, ils ont utilisé une approche connectomique, c'est-à-dire traçant toutes les connexions entre les motoneurones et les fibres musculaires, pour caractériser l'élimination des synapses développementales au niveau d'un circuit complet. L'analyse a confirmé le recâblage massif, une diminution de 10 fois du nombre de synapses, qui a lieu lorsque les axones élaguent leurs unités motrices mais ajoutent plus de zones synaptiques au niveau des NMJ avec lesquelles ils restent en contact.
Synapses du SNC
L'agrine ne semble pas être un médiateur central de la formation des synapses du SNC et il existe un intérêt actif pour l'identification des signaux qui interviennent dans la synaptogenèse du SNC. Les neurones en culture développent des synapses similaires à celles qui se forment in vivo, suggérant que les signaux synaptogènes peuvent fonctionner correctement in vitro. Les études sur la synaptogenèse du SNC se sont principalement concentrées sur les synapses glutamatergiques. Les expériences d'imagerie montrent que les dendrites sont très dynamiques au cours du développement et initient souvent le contact avec les axones. Ceci est suivi par le recrutement de protéines postsynaptiques au site de contact. Stephen Smith et ses collègues ont montré que le contact initié par les filopodes dendritiques peut se développer en synapses.
Induction de la formation de synapses par des facteurs gliaux : Barres et ses collègues ont observé que les facteurs des milieux conditionnés gliaux induisent la formation de synapses dans les cultures de cellules ganglionnaires rétiniennes. La formation de synapses dans le SNC est corrélée à la différenciation des astrocytes, ce qui suggère que les astrocytes pourraient fournir un facteur synaptogène. L'identité des facteurs astrocytaires n'est pas encore connue.
Neuroligines et SynCAM comme signaux synaptogènes : Sudhof, Serafini, Scheiffele et leurs collègues ont montré que les neuroligines et SynCAM peuvent agir comme des facteurs induisant la différenciation présynaptique. Les neuroligines sont concentrées au site postsynaptique et agissent via les neurexines concentrées dans les axones présynaptiques. SynCAM est une molécule d'adhésion cellulaire présente dans les membranes pré- et post-synaptiques.
Mécanismes dépendants de l'activité dans l'assemblage des circuits neuronaux
Les processus de migration neuronale , de différenciation et de guidage axonal sont généralement considérés comme des mécanismes indépendants de l'activité et reposent sur des programmes génétiques câblés dans les neurones eux-mêmes. Les résultats de la recherche ont cependant impliqué un rôle des mécanismes dépendants de l' activité dans la médiation de certains aspects de ces processus tels que le taux de migration neuronale, les aspects de la différenciation neuronale et l'orientation des axones. Les mécanismes dépendants de l'activité influencent le développement des circuits neuronaux et sont cruciaux pour l'établissement de cartes de connectivité précoces et le raffinement continu des synapses qui se produisent pendant le développement. Il existe deux types distincts d'activité neuronale que nous observons dans les circuits en développement : l'activité spontanée précoce et l'activité évoquée par les sens. L'activité spontanée se produit tôt pendant le développement du circuit neuronal même en l'absence d'entrée sensorielle et est observée dans de nombreux systèmes tels que le système visuel , le système auditif , le système moteur , l' hippocampe , le cervelet et le néocortex en développement .
Des techniques expérimentales telles que l'enregistrement électrophysiologique direct, l'imagerie par fluorescence utilisant des indicateurs de calcium et les techniques optogénétiques ont mis en lumière la nature et la fonction de ces premières poussées d'activité. Ils ont des modèles spatiaux et temporels distincts au cours du développement et leur ablation au cours du développement est connue pour entraîner des déficits dans le raffinement du réseau dans le système visuel. Dans la rétine immature , des vagues de potentiels d'action spontanés proviennent des cellules ganglionnaires rétiniennes et balayent la surface rétinienne au cours des premières semaines postnatales. Ces ondes sont médiées par le neurotransmetteur acétylcholine dans la phase initiale et plus tard par le glutamate . On pense qu'ils instruisent la formation de deux cartes sensorielles - la carte rétinotopique et la ségrégation spécifique à l'œil. Le raffinement de la carte rétinotopique se produit dans les cibles visuelles en aval du cerveau - le colliculus supérieur (SC) et le noyau genouillé latéral dorsal (LGN). La perturbation pharmacologique et les modèles murins dépourvus de la sous-unité β2 du récepteur nicotinique de l'acétylcholine ont montré que le manque d'activité spontanée entraîne des défauts marqués de la rétinotopie et de la ségrégation spécifique de l'œil.
Dans le système auditif en développement, la cochlée en développement génère des poussées d'activité qui se propagent à travers les cellules ciliées internes et les neurones du ganglion spiral qui transmettent les informations auditives au cerveau. La libération d' ATP par les cellules de soutien déclenche des potentiels d'action dans les cellules ciliées internes . Dans le système auditif, on pense que l'activité spontanée est impliquée dans la formation de la carte tonotopique en séparant les axones des neurones cochléaires réglés sur les hautes et les basses fréquences. Dans le système moteur, des poussées périodiques d'activité spontanée sont entraînées par le GABA et le glutamate excitateurs au cours des premiers stades et par l' acétylcholine et le glutamate aux stades ultérieurs. Dans la moelle épinière du poisson zèbre en développement , une activité spontanée précoce est requise pour la formation de bouffées alternées de plus en plus synchrones entre les régions ipsilatérales et controlatérales de la moelle épinière et pour l'intégration de nouvelles cellules dans le circuit. On pense que les motoneurones innervant les mêmes fibres musculaires contractées maintiennent une activité synchrone qui permet aux deux neurones de rester en contact avec la fibre musculaire à l'âge adulte. Dans le cortex , des vagues précoces d'activité ont été observées dans le cervelet et les tranches corticales. Une fois que le stimulus sensoriel devient disponible, le réglage final des cartes de codage sensoriel et le raffinement du circuit commencent à s'appuyer de plus en plus sur l'activité évoquée sensorielle, comme le démontrent les expériences classiques sur les effets de la privation sensorielle pendant les périodes critiques .
Les techniques contemporaines d' IRM pondérée en diffusion peuvent également révéler le processus macroscopique du développement axonal. Le connectome peut être construit à partir de données d' IRM de diffusion : les sommets du graphique correspondent à des zones de matière grise étiquetées anatomiquement, et deux de ces sommets, disons u et v , sont reliés par une arête si la phase de tractographie du traitement des données trouve une fibre axonale qui relie les deux domaines, correspondant à u et v .
De nombreux braingraphs, calculés à partir du Human Connectome Project, peuvent être téléchargés sur le site http://braingraph.org . Le Consensus Connectome Dynamics (CCD) est un phénomène remarquable qui a été découvert en diminuant continuellement le paramètre de confiance minimum à l'interface graphique du Budapest Reference Connectome Server. Le Budapest Reference Connectome Server ( http://connectome.pitgroup.org ) décrit les connexions cérébrales de n=418 sujets avec un paramètre de fréquence k : Pour tout k=1,2,...,n on peut visualiser le graphique des arêtes présentes dans au moins k connectomes. Si le paramètre k est diminué un par un de k=n à k=1, alors de plus en plus d'arêtes apparaissent dans le graphique, puisque la condition d'inclusion est relâchée. L'observation surprenante est que l'apparence des bords est loin d'être aléatoire : elle ressemble à une structure croissante et complexe, comme un arbre ou un arbuste (visualisé sur l'animation de gauche).
L'hypothèse est que la structure en croissance copie le développement axonal du cerveau humain : les premières connexions en développement (fibres axonales) sont communes à la plupart des sujets, et les connexions qui se développent par la suite ont une variance de plus en plus grande, car leurs variances s'accumulent dans le processus de développement axonal.
Élimination des synapses
Plusieurs motoneurones rivalisent pour chaque jonction neuromusculaire, mais un seul survit jusqu'à l'âge adulte. Il a été démontré que la compétition in vitro implique une substance neurotrophique limitée qui est libérée, ou que l'activité neuronale tire avantage de fortes connexions post-synaptiques en conférant une résistance à une toxine également libérée lors de la stimulation nerveuse. In vivo , il est suggéré que les fibres musculaires sélectionnent le neurone le plus fort via un signal rétrograde ou que les mécanismes d'élimination des synapses dépendant de l'activité déterminent l'identité de l'axone « gagnant » au niveau d'une plaque motrice.
Cartographie
La cartographie du cerveau peut montrer comment le cerveau d'un animal change tout au long de sa vie. En 2021, les scientifiques ont cartographié et comparé l'ensemble du cerveau de huit vers C. elegans à travers leur développement au niveau neuronal et le câblage complet d'un seul muscle de mammifère de la naissance à l'âge adulte.
Neurogenèse adulte
La neurogenèse se produit également dans des parties spécifiques du cerveau adulte.
Voir également
Les références
Liens externes
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Ressources de la bibliothèque sur le développement du système nerveux |
