Supposons que vous habitiez en face d'une boulangerie. Parfois, vous avez faim et vous êtes donc tenté lorsque des odeurs s'échappent de votre fenêtre, mais d'autres fois la satiété vous rend indifférent. Parfois, passer pour un popover semble sans problème, mais parfois votre ex méchant est là. Votre cerveau équilibre de nombreuses influences pour déterminer ce que vous allez faire. Une nouvelle étude du MIT détaille un exemple de ce fonctionnement chez un animal beaucoup plus simple, soulignant un principe potentiellement fondamental de la façon dont les systèmes nerveux intègrent plusieurs facteurs pour guider le comportement de recherche de nourriture.

Tous les animaux partagent le défi de peser divers signaux sensoriels et états internes lors de la formulation de comportements, mais les scientifiques savent peu de choses sur la façon dont cela se produit réellement. Pour mieux comprendre, l'équipe de recherche basée à l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire s'est tournée vers le ver C. elegans, dont les états comportementaux bien définis et le système nerveux à 302 cellules rendent le problème complexe au moins traitable. Ils ont émergé avec une étude de cas sur la façon dont, dans un neurone olfactif crucial appelé AWA, de nombreuses sources d'informations d'état et sensorielles convergent pour réguler indépendamment l'expression d'un récepteur olfactif clé. L'intégration de leur influence sur l'abondance de ce récepteur détermine alors comment AWA guide l'itinérance autour de la nourriture.

"Dans cette étude, nous avons disséqué les mécanismes qui contrôlent les niveaux d'un seul récepteur olfactif dans un seul neurone olfactif, sur la base de l'état et des stimuli en cours que l'animal expérimente", a déclaré l'auteur principal Steven Flavell, professeur agrégé Lister Brothers au département de MIT. Sciences du cerveau et cognitives. "Comprendre comment l'intégration se produit dans une cellule indiquera comment cela peut se produire en général, dans d'autres neurones de vers et chez d'autres animaux."

Le post-doctorant du MIT Ian McLachlan a dirigé l'étude publiée le 31 août dans eLife . Il a dit que l'équipe ne savait pas nécessairement ce qu'elle découvrirait lorsqu'elle a commencé.

"Nous avons été surpris de constater que les états internes de l'animal pouvaient avoir un tel impact sur l'expression des gènes au niveau des neurones sensoriels - essentiellement, la faim et le stress ont provoqué des changements dans la façon dont l'animal perçoit le monde extérieur en modifiant la réponse des neurones sensoriels", il a dit. "Nous étions également ravis de voir que l'expression des chimiorécepteurs ne dépendait pas seulement d'une entrée, mais dépendait de la somme totale de l'environnement externe, de l'état nutritionnel et des niveaux de stress. C'est une nouvelle façon de penser à la façon dont les animaux codent en compétition états et stimuli dans leur cerveau."

En effet, McLachlan, Flavell et leur équipe ne sont pas allés chercher spécifiquement le neurone AWA ou le chimiorécepteur olfactif spécifique, surnommé STR-44. Au lieu de cela, ces cibles ont émergé des données impartiales qu'ils ont recueillies lorsqu'ils ont examiné quels gènes changeaient le plus d'expression lorsque les vers étaient éloignés de la nourriture pendant trois heures par rapport à lorsqu'ils étaient bien nourris. En tant que catégorie, les gènes de nombreux récepteurs chimiosensoriels ont montré d'énormes différences. AWA s'est avéré être un neurone avec un grand nombre de ces gènes régulés positivement et deux récepteurs, STR-44 et SRD-28, sont apparus particulièrement importants parmi ceux-ci.

Ce seul résultat a montré qu'un état interne (la faim) influençait le degré d'expression du récepteur dans un neurone sensoriel. McLachlan et ses co-auteurs ont ensuite pu montrer que l'expression de STR-44 changeait également de manière indépendante en fonction de la présence d'un produit chimique stressant, en fonction d'une variété d'odeurs alimentaires et du fait que le ver avait reçu ou non les avantages métaboliques de la consommation d'aliments. D'autres tests menés par l'étudiante diplômée et co-seconde auteure Talya Kramer ont révélé quelles odeurs déclenchent le STR-44, permettant aux chercheurs de démontrer ensuite comment les changements dans l'expression du STR-44 au sein de l'AWA affectaient directement le comportement de recherche de nourriture. Et pourtant, d'autres recherches ont identifié les moyens moléculaires et de circuit exacts par lesquels ces signaux variables parviennent à AWA et comment ils agissent dans la cellule pour modifier l'expression de STR-44.

Par exemple, dans une expérience, l'équipe de McLachlan et Flavell a montré que si les vers nourris et affamés se tortillaient vers les odeurs préférées des récepteurs s'ils étaient assez forts, seuls les vers à jeun (qui expriment davantage le récepteur) pouvaient détecter des concentrations plus faibles. Dans une autre expérience, ils ont découvert que même si les vers affamés ralentissaient pour manger lorsqu'ils atteignaient une source de nourriture, même si des vers bien nourris naviguaient, ils pouvaient faire en sorte que des vers bien nourris agissent comme des vers à jeun en surexprimant artificiellement STR-44. De telles expériences ont démontré que les changements d'expression de STR-44 ont un effet direct sur la recherche de nourriture.

D'autres expériences ont montré comment de multiples facteurs poussent et tirent sur STR-44. Par exemple, ils ont découvert que lorsqu'ils ajoutaient un produit chimique qui stressait les vers, cela réduisait l'expression de STR-44 même chez les vers à jeun. Et plus tard, ils ont montré que le même facteur de stress supprimait l'envie des vers de se tortiller vers l'odeur à laquelle le STR-44 réagit. Ainsi, tout comme vous pourriez éviter de suivre votre nez jusqu'à la boulangerie, même si vous avez faim, si vous voyez votre ex là-bas, les vers pèsent les sources de stress par rapport à leur faim lorsqu'ils décident d'approcher la nourriture. Ils le font, montre l'étude, en fonction de la façon dont ces différents signaux et états poussent et tirent sur l'expression STR-44 dans AWA.

Plusieurs autres expériences ont examiné les voies du système nerveux du ver qui apportent des signaux sensoriels, de faim et d'alimentation active à AWA. L'assistante technique Malvika Dua a aidé à révéler comment d'autres neurones sensibles aux aliments affectent l'expression de STR-44 dans l'AWA via la signalisation de l'insuline et les connexions synaptiques. Les indices indiquant si le ver mange activement viennent à AWA des neurones de l'intestin qui utilisent un capteur de nutriments moléculaire appelé TORC2. Ceux-ci, ainsi que la voie de détection du stress, ont tous agi sur FOXO, qui est un régulateur de l'expression des gènes. En d'autres termes, toutes les entrées qui affectent l'expression de STR-44 dans AWA le faisaient en poussant et en tirant indépendamment sur le même levier moléculaire.

Flavell et McLachlan ont noté que des voies telles que l'insuline et TORC2 sont présentes non seulement dans d'autres neurones sensoriels de vers, mais également dans de nombreux autres animaux, y compris les humains. De plus, les récepteurs sensoriels étaient régulés positivement par le jeûne dans plus de neurones que l'AWA. Ces chevauchements suggèrent que le mécanisme qu'ils ont découvert dans AWA pour intégrer l'information est probablement en jeu dans d'autres neurones et peut-être chez d'autres animaux, a déclaré Flavell.

Et, a ajouté McLachlan, les informations de base de cette étude pourraient aider à éclairer la recherche sur le fonctionnement de la signalisation intestin-cerveau via TORC2 chez les personnes.

"Cela apparaît comme une voie majeure pour la signalisation intestin-cerveau chez C. elegans et j'espère qu'elle aura finalement une importance translationnelle pour la santé humaine", a déclaré McLachlan. + Explorer plus loin

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