Lorsque l’on se déplace sur un terrain accidenté, les cartes sont utiles. Ils aident également les chercheurs à étudier l’organisation complexe du cerveau. Les scientifiques de l’Institut Max Planck pour l’intelligence biologique ont créé un nouvel ensemble de cartes pour le cerveau du poisson zèbre. Ils ont déterminé l’activité de centaines de gènes avec une résolution unicellulaire et ont assemblé les cartes dans un atlas interactif. La ressource en ligne aide les chercheurs à trouver leur chemin dans le cerveau de ce vertébré et fournit de nouvelles informations sur la structure et la fonction neuronales.
Un réseau complexe de cellules cérébrales (neurones) permet au poisson zèbre de ressentir son environnement, de trouver de la nourriture ou des partenaires d’accouplement et d’échapper aux prédateurs. Toutes ces cellules abritent la même information génétique, mais elles se spécialisent dans des fonctions différentes. C’est l’expression de certains gènes – le processus de copie de l’information génétique dans les ARN messagers et de leur traduction en protéines – qui détermine la forme, la connectivité et le rôle d’un neurone dans le comportement. Les neurones ayant des propriétés similaires appartiennent au même type. On estime qu’il existe des centaines, voire des milliers, de types différents dans le cerveau d’un poisson. Des chiffres similaires s’appliquent au cerveau humain.
Savoir quels gènes sont exprimés et où les chercheurs peuvent comprendre comment fonctionne le cerveau et comment il contrôle le comportement du poisson zèbre. Cependant, les types de cellules neuronales qui sous-tendent un comportement spécifique sont notoirement difficiles à démêler, et les cartes qui aident les scientifiques à se repérer dans le cerveau comportent de nombreuses zones vides.
« Nous n’avions auparavant que des informations limitées sur l’expression des gènes dans le cerveau du poisson zèbre », explique Inbal Shainer, chercheur postdoctoral dans le département d’Herwig Baier. « Les données étaient de faible résolution et ne pouvaient pas être combinées avec les dernières cartes de types de cellules et de structures cérébrales. Notre travail comble maintenant cette lacune. »
Pour réduire les points blancs dans les cartes existantes, Inbal Shainer, Enrico Kuehn et leurs collègues ont utilisé une méthode qui rend l’expression des gènes individuels visible au microscope. La méthode est suffisamment sensible pour détecter les différences d’expression génique dans l’ensemble du cerveau du poisson zèbre à très haute résolution, jusqu’au niveau des cellules individuelles.
À partir des données obtenues, les chercheurs ont préparé une carte d’expression pour chaque gène et ont fusionné des centaines de ces cartes dans un atlas. Le nouvel atlas d’expression génique s’intègre parfaitement aux données existantes de l’atlas Max Planck Zebrafish Brain (mapzebrain), qui contient des informations sur les structures cérébrales, les types de cellules et les connexions entre les cellules. En examinant ces caractéristiques et l’expression génique combinée, les scientifiques peuvent obtenir une image plus globale de la façon dont l’information est traitée dans le cerveau du poisson zèbre.
Par exemple, les chercheurs ont étudié comment les stimuli environnementaux modifient l’expression de la cfos gène – un marqueur pour les cellules nerveuses hautement actives. Lorsqu’un jeune poisson zèbre mangeait, le cfos l’expression des gènes a augmenté dans les zones du cerveau qui détectent les proies et contrôlent les mouvements de chasse, mais aussi dans un groupe de cellules connectées à l’hypothalamus latéral, une région du cerveau impliquée dans la signalisation de la faim et de la satiété.
« L’inclusion de l’expression génique dans mapzebrain nous a déjà fourni de nouvelles informations passionnantes. Des expériences de suivi montreront si les cellules que nous avons trouvées déclenchent effectivement un signal de satiété », déclare Enrico Kuehn, biologiste moléculaire au département d’Herwig Baier.
L’atlas du poisson zèbre est un outil en ligne open-source, et la communauté des chercheurs fournit constamment des données aux ensembles de données existants. Les scientifiques peuvent inspecter et analyser des images en ligne, les télécharger sur leurs appareils ou connecter l’atlas à d’autres outils en ligne.
Les chercheurs du département d’Herwig Baier sont optimistes quant à la poursuite de la croissance de l’atlas mapzebrain, à mesure que de plus en plus de gènes et de cartes plus détaillées des cellules cérébrales sont ajoutés. Dans une prochaine étape, l’équipe vise à inclure des informations sur les circuits neuronaux récemment obtenues par microscopie électronique. « La combinaison de différents ensembles de données permet à la communauté de recherche sur le poisson zèbre d’acquérir des connaissances entièrement nouvelles sur la base génétique de la fonction cérébrale. Cela nous permettra de mieux comprendre comment les cerveaux se développent et comment ils fonctionnent », conclut Inbal Shainer.
