Les neurones (cellules cérébrales) transportent des informations à l’intérieur du cerveau ainsi qu’entre le cerveau et le reste du système nerveux. Ils communiquent entre eux à l’aide de signaux chimiques, ainsi qu’au moyen de minuscules impulsions électriques générées par les mouvements d’ions entrant et sortant des cellules.
Ions de potassium (K+) et le sodium (Na+) entrent et sortent des neurones au moyen de canaux ioniques spécifiques à travers les membranes cellulaires. Ce mouvement provoque une différence de charge entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule, ce qui conduit à la génération d’un influx nerveux.
Des recherches antérieures, menées par Mark Harnett et Lou Beaulieu-Laroche en 2018, ont montré que les neurones humains ont beaucoup moins de canaux ioniques sur toute leur longueur que les neurones de rat. C’était une découverte surprenante car les scientifiques avaient supposé que la densité des canaux ioniques était constante entre les espèces de mammifères.
Les chercheurs ont décidé de comparer la densité des canaux ioniques dans les neurones de plusieurs espèces de mammifères différentes pour voir s’ils pouvaient trouver des modèles dans l’expression des canaux ioniques. Ils ont obtenu des tissus cérébraux de 10 espèces de mammifères pour cette enquête : musaraignes étrusques (l’un des plus petits mammifères connus), gerbilles, souris, rats, cochons d’Inde, furets, lapins, ouistitis et macaques, ainsi que des tissus humains prélevés sur des patients atteints de épilepsie pendant une chirurgie cérébrale
L’étude s’est concentrée sur deux types de canaux potassiques voltage-dépendants et sur le canal HCN, qui conduit à la fois le potassium et le sodium, dans les neurones pyramidaux de la couche cinq, un type de neurone excitateur présent dans le cortex cérébral.
Les chercheurs ont découvert une tendance générale, chez les espèces de mammifères étudiées, selon laquelle la densité des canaux ioniques augmentait à mesure que les neurones s’allongeaient. C’était inattendu, car plus il y a de canaux, plus il faut d’énergie pour pomper les ions dans et hors de la cellule cérébrale. Cependant, lorsqu’ils prenaient en compte la taille globale du cortex cérébral, la relation prenait plus de sens.
Par exemple, le petit cerveau de la musaraigne étrusque est étroitement rempli de très petits neurones, de sorte qu’il y a plus de neurones dans un volume de tissu donné que dans le même volume de tissu du cerveau du lapin, qui possède des neurones beaucoup plus gros. Mais comme les neurones du lapin sont plus longs et ont une densité de canaux ioniques plus élevée, la densité des canaux dans un volume de tissu donné est la même chez les deux espèces, ou chez toutes les espèces non humaines analysées par les chercheurs.
La seule exception à cette tendance concernait les neurones humains, qui présentaient une densité de canaux ioniques beaucoup plus faible que prévu.
« Des études comparatives antérieures ont établi que le cerveau humain est construit comme celui des autres mammifères. Nous avons donc été surpris de trouver des preuves solides que les neurones humains sont spéciaux », a déclaré Lou Beaulieu-Laroche, ancien étudiant diplômé du MIT.
« Ce plan de construction est cohérent pour neuf espèces de mammifères différentes », explique Harnett, professeur agrégé de sciences du cerveau et des sciences cognitives, membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et auteur principal de l’étude. « Il semble que le cortex essaie de faire en sorte que le nombre de canaux ioniques par unité de volume soit le même pour toutes les espèces. Cela signifie que pour un volume de cortex donné, le coût énergétique est le même, du moins pour les canaux ioniques.
Le cerveau humain constitue une exception frappante à la relation ci-dessus. Au lieu d’une augmentation de la densité des canaux ioniques, les chercheurs ont constaté une diminution spectaculaire de la densité des canaux ioniques pour un volume donné de tissu cérébral. Ils pensent que cette densité plus faible pourrait être une réponse à des contraintes énergétiques ; Si moins d’énergie est dépensée pour pomper des ions à travers la membrane, le cerveau pourra utiliser cette énergie pour autre chose, comme créer des connexions plus complexes entre les neurones ou déclencher des impulsions nerveuses à un rythme plus élevé.
« Si le cerveau peut économiser de l’énergie en réduisant la densité des canaux ioniques, il peut dépenser cette énergie sur d’autres processus neuronaux ou de circuits », a déclaré Harnett. « Nous pensons que les humains ont évolué à partir de ce plan de construction qui limitait auparavant la taille du cortex, et ils ont trouvé un moyen de devenir plus efficace sur le plan énergétique, de sorte que vous dépensez moins d’ATP par unité de volume que les autres espèces. »
Les experts ont déclaré que des recherches sont nécessaires pour déterminer où l’énergie supplémentaire est utilisée et s’il existe des mutations génétiques spécifiques qui aident les neurones du cortex humain à atteindre cette efficacité élevée. En outre, ils aimeraient vérifier si d’autres espèces de primates plus étroitement liées aux humains présentent une réduction similaire de la densité des canaux ioniques.
La recherche est publiée dans la revue Nature.
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Par Alison Bosman, Espèces-menacées.fr Rédacteur
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