Le système nerveux humain est comme un circuit imprimé complexe. Lorsque les fils se croisent ou que les circuits fonctionnent mal, des conditions telles que la schizophrénie ou le trouble bipolaire peuvent survenir.

Pendant longtemps, les scientifiques ont travaillé pour zoomer et identifier comment les circuits cérébraux se forment afin qu'ils puissent apprendre à recâbler les neurones perturbateurs.

Maintenant, Les chercheurs de Stanford dirigés par le professeur de biologie Liqun Luo et le professeur de bio-ingénierie et de physique appliquée Stephen Quake ont fait un pas en avant significatif dans cette direction en réalisant un plan génétique détaillé cellule par cellule des neurones olfactifs de la mouche des fruits. Leurs travaux ont été publiés dans Cellule .

L'idée de base derrière la recherche est de comprendre les types de cellules neuronales du cerveau de mouche relativement simple, et d'identifier les molécules qui dirigent le câblage précis de différents types de neurones dans le cerveau de la mouche. Heures supplémentaires, les chercheurs veulent utiliser une approche similaire pour étudier la composition cellulaire beaucoup plus complexe du cerveau humain, et peut-être même un jour réparer les erreurs de câblage dans les troubles cérébraux.

Séquençage d'ARN unicellulaire

Revenir en biologie au lycée, rappelez-vous que les cellules ont de l'ADN et de l'ARN. L'ADN est le code génétique qui représente le plan directeur d'un organisme entier. La mouche des fruits, un organisme modèle pour l'homme car il partage environ 75 pour cent de nos gènes de maladie connus, a environ 15, 000 gènes. Bien sûr, tous les gènes ne sont pas exprimés tout le temps. Chaque cellule individuelle exprime un sous-ensemble spécifique de gènes, qui à leur tour fabriquent un ensemble spécifique de protéines. Les molécules d'ARN messager portent les codes génétiques pour créer, ou exprimer, quelles que soient les protéines qui peuvent être requises par une cellule spécifique à tout moment.

Les chercheurs de Stanford se sont concentrés sur les cellules de l'olfactif, ou odorant, et la détection des quadrants du cerveau de la mouche. La mouche des fruits est l'un des organismes les plus étudiés en biologie. Des recherches expérimentales antérieures ont prouvé que le système olfactif de la mouche est un circuit propre et simple, ce qui en fait le banc d'essai idéal pour développer une nouvelle technologie génétique pour sonder comment les circuits cérébraux sont câblés. Le centre olfactif du cerveau de la mouche possède 50 types de neurones de traitement central qui développent des filaments filiformes pour se connecter à 50 types de neurones sensoriels. Chaque paire de neurones connectés permet à la mouche des fruits de sentir un groupe d'odeurs, et en combinaison, la mouche des fruits peut détecter la myriade d'odeurs de fruits dans votre cuisine.

Pour voir tout le répertoire des gènes exprimés dans ces cellules, l'équipe de Stanford a utilisé une méthode mise au point par Quake qui permet aux chercheurs de séquencer tout l'ARN messager dans une cellule. Les technologies de séquençage monocellulaire développées par Quake et ses collaborateurs sont devenues largement utilisées et sont à la base des efforts internationaux visant à développer un atlas complet des types de cellules humaines et murines. Mais le chercheur postdoctoral Hongjie Li et le doctorant Felix Horns ont peaufiné le processus pour le faire fonctionner pour la mouche des fruits, qui a de petites cellules et une quantité beaucoup plus petite d'ARN messager par cellule.

En combinant le séquençage d'ARN unicellulaire de Quake avec la connaissance détaillée de Luo du circuit olfactif de la mouche des fruits, l'équipe a pu créer le premier plan montrant comment l'activité spécifique d'un gène/protéine est en corrélation avec le câblage biologique d'au moins un composant du système nerveux d'un organisme.

Définir un type de cellule

Finalement, les chercheurs aimeraient créer un modèle pour le système nerveux humain, mais leur première étape doit être d'identifier les cellules constituantes du cerveau humain. Ceci est particulièrement difficile car bien que les cellules puissent être définies par fonction, physiologie, l'anatomie et l'expression des gènes, les chercheurs ont eu du mal à unifier ces propriétés. Deux cellules peuvent avoir la même fonction mais des physiologies différentes. "Les gens espéraient que le séquençage de l'ARN unicellulaire aiderait à résoudre ce problème, mais jusqu'à présent ça n'a pas été facile, " dit Luo.

Étudier d'abord la mouche des fruits a aidé car au cours des deux dernières décennies, Luo et son laboratoire ont appris à connaître la fonction, très bien la physiologie et l'anatomie du système olfactif de l'organisme. Bien que les chercheurs se demandent encore s'il y a 1, 000 ou 10, 000 types de cellules dans le cerveau humain, Luo a déclaré que nous connaissions déjà le nombre de types de cellules dans le système olfactif de la mouche des fruits. Cela a fait de cet organisme simple le banc d'essai idéal pour connecter l'expression des gènes aux autres pièces du puzzle de type cellulaire et développer un processus pour finalement étudier le cerveau humain.

De nouvelles informations

Bien que les chercheurs soient encore loin de cet objectif, leur découverte a déjà donné des informations intéressantes sur l'esprit des mouches. Par exemple, les chercheurs ont découvert qu'au cours du développement, lorsque les neurones olfactifs choisissent des partenaires de connexion, l'expression des gènes entre les différents types de neurones est différente. Mais à mesure que les mouches des fruits mûrissent, les modèles d'expression génique de différents types de neurones deviennent indiscernables. "Une fois le cerveau branché, la mouche n'a pas besoin d'exprimer les gènes qui l'aident à choisir les partenaires de connexion, " Horns a déclaré. " Il y a donc moins de diversité d'expression génique chez les mouches adultes. "

L'objectif ultime est de développer de nouveaux outils puissants pour comprendre les schémas génétiques qui relient le cerveau humain. « En développant davantage cette approche, nous espérons un jour faire de l'ingénierie inverse et peut-être même réparer des circuits défectueux dans le cerveau humain, " dit Li, dont le travail interdisciplinaire sur ce projet a été soutenu par le Stanford Neurosciences Institute.