BIO254 : Chimioaffinité

Introduction

L’hypothèse de chimioaffinité propose que les axones reconnaissent de manière différentielle les signaux chimiques produits par les cellules correspondantes. De cette façon, les neurones ne se connectent qu’à des cellules ou des groupes de cellules spécifiques. Cette reconnaissance sélective est la base pour établir des connexions neuronales fonctionnelles appropriées. L’hypothèse de la chimioaffinité a été proposée pour la première fois par le neuropsychologue Roger Wolcott Sperry (20 août 1913 – 17 avril 1994) et est basée sur des expériences classiques réalisées sur des grenouilles.

Lorsqu’elle a été proposée pour la première fois, l’hypothèse de chimioaffinité contrastait avec un modèle concurrent appelé Hypothèse de résonance. L’hypothèse de résonance prédit des connexions neuronales non spécifiques au cours des premiers stades de développement. Les circuits fonctionnels sont créés par recâblage dépendant de l’activité des connexions aléatoires initiales. Les expériences classiques et modernes semblent soutenir l’hypothèse de chimioaffinité par rapport à l’Hypothèse de résonance, ce qui en fait le modèle de câblage neuronal le plus largement accepté.

Premières expériences

Au début des années 1940, Roger Sperry a effectué une série d’expériences sur le système visuel de la grenouille. Dans ses expériences, l’œil d’une grenouille est coupé de la connexion d’origine au tectum, puis tourné de 180o et réimplanté. Les cellules ganglionnaires rétiniennes sont capables de générer à nouveau des axones qui se projettent vers le tectum et de rétablir des synapses fonctionnelles. En fait, cette rotation de l’œil a entraîné un monde visuel subjectivement inversé pour ces grenouilles: lorsqu’elle est attirée par une mouche dans son champ visuel supérieur, la grenouille se précipite toujours vers le bas. Ce comportement inapproprié impliquait fortement que la grenouille se comporte comme si tout son monde visuel était inversé.

Ces expériences ont conduit à la conclusion que lorsque les connexions optiques originales ont été coupées, les axones en régénération de la rétine repoussent à leur emplacement d’origine dans le tectum et rétablissent ces connexions bien organisées. Sur la base de ces conclusions, Sperry a proposé que les gradients spatiaux de signaux chimiques exprimés par les cellules tectales interviennent probablement dans ce processus au cours du développement, c’est-à-dire chaque fibre optique et chaque neurone tectal possédaient des signaux chimiques qui déterminaient de manière unique leur type et leur position neuronaux et les fibres optiques pouvaient utiliser ces signaux pour naviguer sélectivement vers leur cellule cible prédéterminée. Cette inférence a ensuite été formulée dans une explication générale de la façon dont les neurones forment des connexions bien organisées pendant le développement et est devenue connue sous le nom d’hypothèse de chimioaffinité.

Interactions trophiques dans la chimioaffinité

La signalisation neurotrophique a deux fonctions principales: 1) déterminer la survie d’un sous-ensemble spécifique de neurones à partir d’une population initiale plus importante, et 2) former et maintenir des connexions axonales. Les neurones dépendent d’un minimum de facteurs trophiques pour survivre et préserver leurs connexions cibles. Si l’hypothèse de la chimioaffinité indique que les cellules nerveuses portent des étiquettes chimiques pour aider à déterminer leur connectivité, alors où et quand ces composants chimiques sont-ils produits? Les facteurs trophiques sont synthétisés par les tissus cibles et mis à la disposition des neurones en développement afin de guider leur voie axonale potentielle. De plus, ces cibles ne produisent des facteurs trophiques qu’en quantités limitées, de sorte que les neurones en développement doivent rivaliser pour le facteur disponible pour maintenir la survie (Voir la section Fire Together, Wire Together pour en savoir plus). Une molécule trophique couramment étudiée, le facteur de croissance nerveuse (NGF), est une protéine qui a soutenu les hypothèses ci-dessus sur la façon dont les axones sont attirés par les synapses cibles.

Rita Levi-Montalcini et Viktor Hamburger ont découvert le NGF à l’Université de Washington dans les années 1950 (plus tard prix Nobel). Leurs expériences ont fourni des preuves que les cibles jouent un rôle majeur dans la détermination des populations neuronales. Hamburger et coll. retiré un bourgeon de membre d’un embryon de poussin, et à des stades embryonnaires ultérieurs, il a constaté une réduction frappante du nombre de cellules nerveuses dans les portes correspondantes de la moelle épinière où le bourgeon a été retiré. Par conséquent, il semblait que les neurones de la moelle épinière étaient en concurrence les uns avec les autres pour une ressource chimique limitée à la cible, car la quantité initiale de « composé cible » était considérablement réduite après l’amputation du bourgeon du membre. Cependant, les neurones qui seraient morts ont ensuite été sauvés en fournissant manuellement le facteur trophique cible (dans ce cas, en repiquant un bourgeon de membre à l’embryon). À l’appui de cette idée, l’ajout d’un bourgeon de membre supplémentaire à l’embyro a entraîné un nombre anormalement élevé de motoneurones des membres. Levi-Montalcini a ensuite utilisé un essai biologique pour isoler et caractériser la molécule cible : le NGF.

Plus de quatre décennies de travail dans divers laboratoires ont démontré que le NGF médie la survie cellulaire et la croissance des neurites (le terme neurite est utilisé pour décrire les branches neuronales lorsqu’il n’est pas clair s’il s’agit d’axones ou de dendrites) parmi deux populations neuronales: les ganglions sympathiques et sensoriels (une sous-population). Les observations des effets du NGF en tant que molécule chimiotrophe ont défini quatre critères à satisfaire avant de conclure qu’une certaine molécule est un facteur trophique :

1.) Il y a mort des neurones pertinents en l’absence de ce facteur trophique;

2.) Il y a survie d’un surplus de neurones lorsque les niveaux de ce facteur trophique sont augmentés;

3.) Il y a présence et production de ce facteur trophique dans des cibles neuronales;

4.) Il existe des récepteurs pour ce facteur trophique dans les terminaisons nerveuses innervantes.

Meyer, R. L., 1998, Roger Sperry et son hypothèse de chimioaf_nité, Neuropsychologie, 36, 957-980

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