Tout au long de l'évolution, les cellules individuelles ont pris des décisions efficaces par elles-mêmes, même en faisant partie de vastes réseaux, tels que les neurones et la glie dans le cerveau humain. Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) et du Blue Brain Project de l'EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse) ont publié une nouvelle théorie décrivant un langage secret que les cellules peuvent utiliser pour un dialogue interne sur le monde extérieur.

À l'aide d'un modèle informatique, ils émettent l'hypothèse que les voies métaboliques, qui sont principalement un moyen d'extraire l'énergie et les molécules de base du glucose et d'autres substrats pour nourrir le cerveau, pourraient également être capables de coder des détails sur les neuromodulateurs qui stimulent l'augmentation de la consommation d'énergie. Les neuromodulateurs sont des messagers chimiques qui régulent l'échange d'informations dans le cerveau.

Si cela est vrai, cela implique un nombre presque infini de possibilités de traitement de l'information dans les systèmes nerveux et les calculs des cellules composantes. Un tel mécanisme permettrait également d'expliquer la remarquable efficacité énergétique des cerveaux.

L'objectif du Blue Brain Project est d'établir les neurosciences de simulation comme une approche complémentaire pour comprendre le cerveau, aux côtés des neurosciences expérimentales, théoriques et cliniques, en construisant les premières reconstructions et simulations numériques biologiquement détaillées du cerveau de la souris.

Dans une étude récemment publiée dans le Journal of Theoretical Biology , les collaborateurs du KAUST-Blue Brain Project ont démontré comment deux de ces piliers, la théorie et la simulation, peuvent fonctionner en tandem à l'aide d'un modèle de métabolisme énergétique astrocytaire. Les astrocytes sont des cellules gliales en forme d'étoile dans le système nerveux central. Le modèle se concentre sur la façon dont ils coopèrent avec les neurones pour alimenter le cerveau et participer aux calculs.

Les auteurs ont confirmé la plausibilité qu'une voie métabolique énergétique puisse être capable de coder des informations et de transmettre des caractéristiques détaillées sur les stimuli, telles que les caractéristiques d'intensité et de durée, en plus de ses fonctions connues dans l'énergie cellulaire et les budgets des molécules à base de carbone. Des exemples de stimuli comprennent des ondes de neuromodulateurs arrivant à la surface cellulaire.

Compte tenu du nombre de voies métaboliques actives simultanément, ces mécanismes pourraient augmenter considérablement les capacités de calcul des neurones en leur donnant un ensemble d'outils élargi pour l'adaptation et la prise de décision. Les scientifiques ont longtemps été impressionnés par l'efficacité énergétique du cerveau par rapport aux ordinateurs fabriqués par l'homme. L'attribution de nouveaux rôles de calcul à des cellules individuelles qui transmettent ensuite ces informations aux réseaux neuronaux pourrait aider à expliquer cette observation.

Le co-auteur Pierre Magistretti, professeur émérite de biosciences au KAUST et directeur de la KAUST Smart Health Initiative, a déclaré que "les simulations des équipes du métabolisme du glucose stimulé par les neuromodulateurs dans un astrocyte suggèrent que les voies métaboliques pourraient être capables de traiter plus d'informations que nous Malgré tout ce que l'on sait déjà sur la façon dont les cellules individuelles pensent ou réagissent à leur environnement, elles ont probablement encore des astuces non découvertes."

Le flux de matière à travers ces voies implique le transfert de produits métabolites d'une réaction catalysée par une enzyme à la suivante tout au long de la chaîne d'événements, de l'activation des récepteurs neuromodulateurs à la production de métabolites énergétiques en tant qu'unité excitable ou machine d'état métabolique.

Jay S. Coggan de Blue Brain, auteur principal de l'étude, déclare que leur "modèle montre comment une voie métabolique peut traduire des stimuli externes en profils de production de molécules porteuses d'énergie telles que le lactate avec une précision au-delà de la simple transduction ou amplification du signal. voies, et éventuellement d'autres types de réactions enzymatiques couplées, pourraient être bien positionnés pour coder un niveau supplémentaire d'informations sur les exigences environnementales d'une cellule. Cette hypothèse a des implications pour la puissance de calcul et l'efficacité énergétique du cerveau.