Dynamique spatiotemporale des épines dendritiques dans le cerveau vivant (2014)

  • 1Département de biologie moléculaire, cellulaire et du développement, Université de Californie à Santa Cruz, Santa Cruz, Californie, États-Unis
  • 2Département des sciences biologiques et Centre James H. Clark, Université Stanford, Stanford, Californie, États-Unis

Mini Review ARTICLE

De face. Neuroanat., 09 peut 2014 | doi: 10.3389 / fnana.2014.00028

Abstract

Les épines dendritiques sont des sites post-synaptiques omniprésents de la plupart des synapses excitatrices du cerveau des mammifères et peuvent donc servir d’indicateurs structurels des synapses fonctionnelles. Des travaux récents ont suggéré que le codage neuronal des mémoires pouvait être associé à des altérations rapides de la formation et de l'élimination de la colonne vertébrale. Les progrès technologiques ont permis aux chercheurs d'étudier la dynamique de la colonne vertébrale in vivo au cours du développement ainsi que dans diverses conditions physiologiques et pathologiques. Nous pensons qu'une meilleure compréhension des schémas spatio-temporels de la dynamique de la colonne vertébrale aidera à élucider les principes de la modification du circuit en fonction de l'expérience et du traitement de l'information dans le cerveau vivant.

Mots clés: épine dendritique, in vivo, imagerie à deux photons, plasticité dépendant de l'expérience, circuit neural, cortex cérébral

INTRODUCTION

Les épines dendritiques fascinent des générations de neuroscientifiques depuis leur description initiale par Santiago Ramón y Cajal il y a plus d'un siècle (Ramon y Cajal, 1888). Ces délicates protubérances émanent de la tige dendritique et ressemblent à des «épines hérissées ou épines courtes» comme le décrit vivement Cajal. Ce sont les sites postsynaptiques de la grande majorité (> 90%) des synapses glutamatergiques excitatrices dans le cerveau des mammifères et contiennent des composants moléculaires essentiels pour la signalisation postsynaptique et la plasticité. Par conséquent, les épines et leur dynamique structurelle peuvent servir d'indicateurs de la connectivité synaptique et de ses modifications (Segal, 2005; Tada et Sheng, 2006; Harms et Dunaevsky, 2007).

La plupart des premières études sur la colonne vertébrale dendritique ont examiné le tissu neural fixé en microscopie optique ou électronique (Lund et al., 1977; Woolley et al., 1990; Harris et Kater, 1994; Hering et Sheng, 2001; Lippman et Dunaevsky, 2005). Bien qu'ils fournissent des informations fondamentales sur la morphologie et la distribution des épines, ces examens tissulaires fixes ne capturent que des «instantanés» statiques d'épines. L'introduction des techniques de marquage fluorescent et de la microscopie multiphotonique a révolutionné le domaine. En 2002, le travail pionnier de deux laboratoires (Grutzendler et al., 2002; Trachtenberg et al., 2002) a démontré la possibilité de suivre la même colonne vertébrale dans le cerveau vivant sur une longue période (c.-à-d. des semaines). En principe, la dynamique de la colonne vertébrale représente la dynamique de la synapse. Alors que les épines stables représentent principalement des contacts synaptiques, seule une petite fraction des épines transitoires représente des contacts synaptiques éphémères, le reste d’entre eux représentant un échec de la synaptogenèse (Trachtenberg et al., 2002; Knott et al., 2006; Cane et al., 2014). De telles études d'imagerie time-lapse ont donné une image dynamique des épines: les épines se forment, s'agrandissent, se contractent et se rétractent tout au long de la vie de l'animal. En outre, leur morphologie et leur dynamique varient selon les types de neurones, selon les stades de développement et en fonction d'expériences telles que la stimulation et la privation sensorielles, l'enrichissement de l'environnement et divers paradigmes d'apprentissage (Holtmaat et Svoboda, 2009; Fu et Zuo, 2011).

Cet examen se concentre sur les résultats de in vivo études d'imagerie. En caractérisant la dynamique de la colonne vertébrale, les chercheurs ont principalement pris en compte deux aspects: les modifications globales de la densité de la colonne vertébrale et l'emplacement spécifique le long de la dendrite où la formation et l'élimination de la colonne vertébrale se produisent. Alors que la densité de la colonne vertébrale fournit une estimation approximative du nombre total de synapses excitatrices sur le neurone postsynaptique, l'emplacement de la colonne vertébrale influe sur la contribution de ses signaux électriques et chimiques transmis de manière synaptique à la réponse intégrée au soma (Nevian et al., 2007; Spruston, 2008). Comprendre la corrélation entre la dynamique de la colonne vertébrale et les caractéristiques anatomiques et physiologiques de circuits neuronaux spécifiques dans différents contextes comportementaux est crucial pour élucider les mécanismes de traitement et de stockage de l’information dans le cerveau.

DYNAMIQUE DE LA COLONNE AU COURS DU DÉVELOPPEMENT

La densité de la colonne vertébrale varie considérablement entre les diverses populations de neurones, reflétant probablement la diversité de la morphologie et de la fonction neuronale (Nimchinsky et al., 2002; Ballesteros-Yanez et al., 2006). L'équilibre entre la formation et l'élimination des épines détermine le changement de densité des épines: un excès de formation d'épines par rapport à l'élimination le long d'un segment dendritique augmente la densité des épines et inversement. Dans le cortex cérébral, les branches dendritiques sont généralement stables dans le temps (Trachtenberg et al., 2002; Mizrahi et Katz, 2003; Chow et al., 2009; Mostany et Portera-Cailliau, 2011; Schubert et al., 2013), les épines sont constamment formées et éliminées. Les taux de formation et d’élimination de la colonne vertébrale changent avec le temps, entraînant une modification non monotone de la densité de la colonne vertébrale (Figure Figure11). Par exemple, les épines des dendrites apicales de la couche de neurones pyramidaux 2 / 3 dans le cortex des tonneaux présentent une motilité progressivement décroissante (allongement et raccourcissement des épines) et un taux de rotation (défini comme le montant total des gains et des pertes d’épines) entre le jour postnatal 7 et 24 (P7-24; Lendvai et al., 2000; Cruz-Martin et al., 2010). Néanmoins, la densité de la colonne vertébrale augmente continuellement au cours de cette période (Cruz-Martin et al., 2010). Après cette phase initiale de croissance nette de la colonne vertébrale, l'élimination de la colonne vertébrale commence à dépasser la formation, entraînant une réduction globale de la densité de la colonne vertébrale (Holtmaat et al., 2005; Zuo et al., 2005b; Yang et al., 2009). Entre P28 et P42, 17% des épines sont éliminées le long des dendrites apicales des neurones pyramidaux de la couche 5 dans le cortex du baril de souris, alors que seulement 5% des nouvelles épines sont formées au cours de la même période (Zuo et al., 2005a, b). Il est important de noter que toutes les épines ne sont pas également susceptibles d'élimination: celles qui ont une grosse tête sont plus stables que celles qui sont minces. Comme la taille de la colonne vertébrale est corrélée à la force synaptique, ce phénomène suggère que les synapses plus fortes sont plus stables (Holtmaat et al., 2005). De plus, les épines nouvellement formées sont plus susceptibles d’être éliminées que les épines préexistantes (Xu et al., 2009), et la majorité des épines stables formées avant l'adolescence restent incorporées dans le circuit neuronal adulte (Zuo et al., 2005a; Yang et al., 2009; Yu et al., 2013). Enfin, chez les animaux adultes, la formation et l’élimination de la colonne vertébrale atteignent l’équilibre; la densité de la colonne vertébrale reste à peu près constante jusqu’à l’apparition du vieillissement (Zuo et al., 2005a; Mostany et al., 2013).

FIGURE 1 

Remodelage de la colonne vertébrale à différentes étapes de la vie d'un animal. La spinogenèse rapide au début de la période postnatale est suivie d’une taille progressive de la colonne vertébrale à l’adolescence. À l'âge adulte, la formation et l'élimination des épines atteignent l'équilibre, avec une petite fraction d'épines ...

DYNAMIQUE DE LA VALEUR EN RÉPONSE À UNE EXPÉRIENCE SENSORIELLE

Le cortex cérébral a la capacité étonnante de réorganiser ses circuits en réponse à des expériences. Par conséquent, l'impact des expériences sensorielles (ou de leur absence) sur la dynamique de la colonne vertébrale est d'un grand intérêt pour les neuroscientifiques. Il a été démontré que les manipulations sensorielles aiguës et chroniques avaient un impact profond sur la dynamique de la colonne vertébrale, mais l’effet exact dépend du paradigme et de la durée de la manipulation, ainsi que du stade de développement de l’animal. Au début de la période postnatale, les entrées sensorielles jouent un rôle instructif dans la stabilisation et la maturation des épines. Dans le cortex visuel de la souris, la privation des informations visuelles dès la naissance a empêché la diminution de la motilité de la colonne vertébrale et la maturation de la morphologie de la colonne vertébrale (Majewska et Sur, 2003; Tropea et al., 2010). La suppression génétique du récepteur PirB imitait l’effet de la privation monoculaire sur la motilité de la colonne vertébrale (Djurisic et al., 2013). L'activation pharmacologique du système GABAergique pourrait imiter partiellement la maturation vertébrale de la colonne vertébrale induite par la lumière chez des souris ayant subi une privation visuelle antérieure, suggérant un rôle important des circuits inhibiteurs dans la maturation des synapses excitatrices (Tropea et al., 2010). Plus tard, l'expérience sensorielle entraîne l'élagage des épines (défini comme la perte nette d'épines). Le découpage unilatéral de tous les moustaches chez les souris de 1 âgées de plusieurs mois les jours 4 ou 14 a considérablement réduit l'élimination de la colonne vertébrale dans le cortex du tonneau, mais a laissé la formation de la colonne vertébrale en grande partie non perturbée (Zuo et al., 2005b; Yu et al., 2013). Le blocage pharmacologique des récepteurs NMDA imitait l'effet de la coupe des moustaches, indiquant l'implication de la voie du récepteur NMDA dans cette élimination de la colonne vertébrale dépendante de l'activité (Zuo et al., 2005b).

Bien que la coupe complète des moustaches supprime les entrées sensorielles au niveau mondial, la coupe de toutes les autres moustaches («coupe de l’échiquier») amplifie vraisemblablement toute différence dans les niveaux d’activité et les modèles des tonneaux voisins, introduisant ainsi une nouvelle expérience sensorielle. Il a été démontré que ce paradigme favorise le remodelage des épines et stabilise sélectivement les épines nouvellement formées dans une sous-classe de neurones corticaux (Trachtenberg et al., 2002; Holtmaat et al., 2006). De nouvelles épines ont été préférentiellement ajoutées sur les neurones pyramidaux de la couche 5 avec des touffes apicales complexes, plutôt que ceux avec des touffes simples (Holtmaat et al., 2006). Chez les souris αCaMKII-T286A défectueuses, la découpe de l’échiquier n’a pas permis d’augmenter la stabilisation de nouvelles épines persistantes à la frontière entre des barils épargnés et privés (Wilbrecht et al., 2010). Récemment, une étude élégante associant stimulation optogénétique et in vivo L’imagerie a montré que c’est le type d’activité neuronale, et non la magnitude, qui détermine la stabilité des épines dendritiques (Wyatt et al., 2012).

Semblable à la coupe sur un échiquier, une brève privation monoculaire (MD) augmente la disparité entre les entrées de deux yeux. Ainsi, comme pour le découpage sur un échiquier, MD s’est avéré augmenter la formation d’épine le long des touffes dendritiques apicales des neurones pyramidaux de la couche 5 dans la zone binoculaire du cortex visuel de la souris. Cependant, cet effet n’a pas été observé dans les neurones de la couche 2 / 3, ni dans la zone monoculaire (Hofer et al., 2009), indiquant à nouveau un remodelage synaptique spécifique au type de cellule. Fait intéressant, un deuxième MD n'a pas réussi à augmenter la formation d'épines, mais a agrandi de manière sélective les épines formées au cours du MD initial, suggérant que de nouvelles épines formées au cours du MD initial présentaient des synapses fonctionnelles réactivées au cours du deuxième MD (Hofer et al., 2009).

DYNAMIQUE DE LA COLONNE AU COURS DE L’APPRENTISSAGE

La nature hautement dynamique des épines dendritiques fait penser que les épines peuvent servir de substrat structurel pour l’apprentissage et la mémoire. Il a été suggéré que les épines nouvellement émergées (généralement avec de petites têtes) sous-tendent l’acquisition de la mémoire, tandis que les épines stables (généralement avec de grandes têtes) servent de sites de stockage de mémoire (Bourne et Harris, 2007). Effectivement, in vivo Des études d'imagerie ont montré que, dans le cortex cérébral, la dynamique de la colonne vertébrale est directement corrélée à l'apprentissage. Dans le cortex moteur de la souris, la formation de la colonne vertébrale commence dès que l'animal apprend une nouvelle tâche. Suite à cette spinogenèse rapide, la densité de la colonne vertébrale revient à son niveau initial grâce à une élimination élevée de la colonne vertébrale (Xu et al., 2009; Yu et Zuo, 2011). Chez les oiseaux chanteurs, il a été établi que le taux de rotation du dos de la colonne vertébrale avant l’apprentissage de la chanson était en corrélation avec une plus grande capacité d’imitation ultérieure de la chanson (Roberts et al., 2010). Chez les souris, la quantité d'épines gagnées au cours de l'apprentissage initial est étroitement corrélée à la performance motrice de l'acquisition d'apprentissage (Xu et al., 2009) et la survie des nouvelles épines est corrélée à la rétention de l’habileté motrice (Yang et al., 2009). En outre, différentes habiletés motrices sont probablement codées par différentes sous-populations de synapses dans le cortex moteur, l'apprentissage d'une nouvelle tâche motrice chez des souris pré-entraînées continuant d'induire un fort roulement dans le cortex moteur de l'adulte (Xu et al., 2009). Récemment, il a également été découvert que le niveau de glucocorticoïdes avait un impact sur la dynamique de la colonne vertébrale induite par l'apprentissage moteur. L’entraînement des souris aux pics de glucocorticoïdes a entraîné un taux plus élevé de formation d’épines, alors que les auges de glucocorticoïdes après l’entraînement étaient nécessaires à la stabilisation des épines formées pendant l’entraînement et à la conservation de la mémoire à long terme (Liston et al., 2013). Addiction, considérée comme un apprentissage pathologique (Hyman, 2005), provoque des changements temporels dans la dynamique de la colonne vertébrale similaires à ceux de l’apprentissage moteur. En utilisant un paradigme de préférence de lieu conditionné par la cocaïne, une étude d'imagerie récente a montré que l'exposition initiale à la cocaïne favorisait la formation d'épines dans le cortex frontal, et que la quantité de nouvelles épines persistantes était corrélée à la préférence pour le contexte de couplage cocaïne (Munoz-Cuevas et al., 2013). Plus intéressant encore, la dynamique de la colonne vertébrale dans différentes régions corticales peut varier au cours d'une même tâche. Par exemple, un paradigme de conditionnement de la peur qui associe des signaux auditifs à des chocs du pied a montré des effets opposés dans le cortex auditif et frontal. Dans le cortex auditif, il a été constaté que la formation accrue de la colonne vertébrale était corrélée au conditionnement par peur associé, tandis que le conditionnement non apparié était associé à une élimination accrue des épines (Moczulska et al., 2013). Dans le cortex d’association frontal, on a constaté que l’élimination accrue de la colonne vertébrale était associée à l’apprentissage, tandis que la formation de la colonne vertébrale était associée à l’extinction de la peur et que le reconditionnement éliminait les épines formées lors de l’extinction (Lai et al., 2012). Prises ensemble, ces études révèlent la diversité des règles temporelles sous-jacentes à la dynamique de la colonne vertébrale induite par l'apprentissage. Que les épines soient formées ou supprimées au cours de l'apprentissage dépend du paradigme comportemental ainsi que du circuit neuronal et des types de cellules spécifiques participant au processus d'apprentissage.

Il est à noter que tous les exemples discutés ci-dessus se réfèrent à la mémoire non déclarative, qui n'implique pas le souvenir conscient de l'heure, du lieu et de l'expérience épisodique (c.-à-d. La mémoire déclarative). Exploration de in vivo La dynamique de la colonne vertébrale associée à la mémoire déclarative s'avère beaucoup plus difficile. D'une part, l'hippocampe, la structure cruciale pour la formation de la mémoire déclarative, est enfoui sous le cortex et hors de portée du microscope standard à deux photons. D'autre part, on pense que la mémoire déclarative est stockée de manière diffuse dans les grands réseaux néocorticaux, ce qui la rend difficile pour une imagerie ciblée. Par conséquent, l’avancée des techniques d’imagerie cérébrale profonde (microendoscopie, optique adaptative, par exemple) ainsi qu’une meilleure compréhension de l’affectation de la mémoire dans le cortex constituent la clé des recherches futures sur la dynamique de la colonne vertébrale sous-jacente à la mémoire déclarative.

DYNAMIQUE DE LA COLONNE DANS LES MALADIES

Des altérations de la densité des épines dendritiques ont été observées dans diverses maladies neurologiques et neuropsychiatriques. Chaque trouble présente ses propres anomalies distinctives dans la dynamique de la colonne vertébrale, ce qui corrobore l'idée selon laquelle les épines sont des fondements structurels du fonctionnement cognitif approprié. Il existe un consensus croissant sur le fait que l’anomalie de la colonne vertébrale est associée à une déficience comportementale et à un déclin des fonctions cognitives (pour plus de détails, voir: Fiala et al., 2002; Penzes et al., 2011).

Dans les modèles d'AVC, il a été démontré qu'une ischémie sévère entraînait une perte rapide de la colonne vertébrale, qui est réversible après une reperfusion si le sauvetage est effectué sur une courte période (20 – 60 min; Zhang et al., 2005). Après un accident vasculaire cérébral, la formation de la colonne vertébrale et l’élimination subséquente augmentent dans la région péri-infarctus, mais pas dans les territoires corticaux éloignés de l’infarctus ou dans l’hémisphère controlatéral (Brown et al., 2009; Johnston et al., 2013). Cette plasticité induite par la lésion atteint son maximum à la semaine 1 après un AVC; à partir de ce moment, le taux de formation et d’élimination de la colonne vertébrale diminue progressivement. Ce phénomène suggère l'existence d'une période critique au cours de laquelle les tissus corticaux survivants du péri-infarctus sont le plus susceptibles d'interventions thérapeutiques (Brown et al., 2007, 2009). Dans un modèle de douleur chronique chez la souris, la ligature partielle du nerf sciatique augmente la formation et l'élimination de la colonne vertébrale. Comme dans le modèle des accidents vasculaires cérébraux, l’élévation du taux de formation de la colonne vertébrale précède celle de l’élimination, ce qui entraîne une augmentation initiale de la densité de la colonne vertébrale, suivie de sa réduction. Ces effets pourraient être supprimés par le blocage de la tétrodotoxine, indiquant que le remodelage post-lésionnel de la colonne vertébrale dépend de l'activité (Kim et Nabekura, 2011).

Des modifications de la colonne vertébrale ont également été rapportées chez des modèles animaux de maladies dégénératives. Par exemple, la perte de la colonne vertébrale est accélérée au voisinage des plaques de β-amyloïde dans le cortex cérébral (Tsai et al., 2004; Spires et al., 2005). Dans un modèle animal de la maladie de Huntington, le taux de formation d’épine dorsale augmente, mais les épines nouvellement formées ne persistent pas à être incorporées dans les circuits locaux, ce qui entraîne une nette diminution de la densité de l’épine dorsale (Murmu et al., 2013). Alors que les maladies neurodégénératives sont généralement associées à une perte nette de la colonne vertébrale, les troubles du développement neurologique présentent divers phénotypes de la colonne vertébrale. Dans un modèle murin du syndrome de l'X fragile, les épines sont plus nombreuses et un pourcentage plus élevé d'entre elles semblent immatures à l'examen des tissus fixés adultes.Comery et al., 1997; Irwin et al., 2000). in vivo De plus, des études ont montré que chez ces animaux, le renouvellement de la colonne vertébrale augmentait dans diverses zones corticales (Cruz-Martin et al., 2010; Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013), et ni la coupe des moustaches ni l’apprentissage moteur ne pourraient modifier davantage la dynamique de la colonne vertébrale (Pan et al., 2010; Padmashri et al., 2013). Chez des souris surexprimant MECP2, un gène lié au syndrome de Rett, il a été constaté que les gains et les pertes de la colonne vertébrale sont élevés. Cependant, les nouvelles épines sont plus vulnérables à l’élimination que chez les souris de type sauvage, ce qui entraîne une perte nette d’épines (Jiang et al., 2013).

CONTRIBUTION GLIAL À LA DYNAMIQUE DE LA ROND

Le système nerveux comprend deux classes de cellules: les neurones et les cellules gliales. Le rôle le plus intriguant des cellules gliales est leur participation au fonctionnement et à la dynamique synaptiques. Récemment, quelques études intéressantes ont exploré le rôle de la signalisation gliale dans la maturation et la plasticité de la colonne vertébrale. Par exemple, il a été démontré que le blocage de l'absorption de glutamate astrocytique accélère l'élimination de la colonne vertébrale dépendante de l'expérience pendant le développement de l'adolescence (Yu et al., 2013). Un autre type de cellules gliales, la microglie, se trouve également en contact étroit avec les épines dendritiques. La motilité des processus microgliaux et le contact de la colonne vertébrale sont activement régulés par l'expérience sensorielle et participent à l'élimination de la colonne vertébrale (Tremblay et al., 2010). En outre, l’appauvrissement de la microglie a entraîné une réduction significative de la formation de la colonne vertébrale induite par l’apprentissage moteur, et l’élimination sélective du facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) dans la microglie a récapitulé les effets de l’appauvrissement microglial (Parkhurst et al., 2013).

MANIFESTATION SPATIALE DE LA DYNAMIQUE DE LA COLONNE

L’imagerie structurelle des épines a suggéré que l’émergence et la disparition d’épines ne sont ni uniformes ni aléatoires le long des dendrites, mais se produisent plutôt à des «points chauds» sélectifs spatialement. Dans le cortex moteur de la souris, de nouvelles épines se forment lors d’un entraînement répété avec la même tâche motrice. ont tendance à se regrouper. De plus, l'ajout de la deuxième nouvelle colonne vertébrale dans la grappe est souvent associé à l'agrandissement de la première nouvelle colonne vertébrale. En revanche, les épines formées lors de l’exécution en tandem de différentes tâches motrices ou lors de l’enrichissement moteur ne se regroupent pas (Fu et al., 2012). Pris ensemble, ces observations suggèrent qu'une réactivation répétée de la première nouvelle colonne vertébrale est nécessaire pour l'émergence en grappes de la deuxième nouvelle colonne vertébrale. Une sélectivité spatiale similaire de la dynamique de la colonne vertébrale a été observée dans le paradigme du conditionnement de la peur: une colonne vertébrale éliminée lors du conditionnement de la peur est généralement remplacée par une colonne vertébrale située à proximité (dans la limite de 2 μm) lors de l'extinction de la peur (Lai et al., 2012). Fait intéressant, la dynamique de la colonne vertébrale est également influencée par la dynamique des synapses inhibitrices. La privation monoculaire augmente significativement la dynamique coordonnée des épines et des synapses inhibitrices situées à proximité dans la couche de neurones pyramidaux 2 / 3 (Chen et al., 2012). Ces résultats corroborent le modèle de plasticité en cluster, qui postule que les synapses en cluster ont plus de chances de coder la même information que les synapses dispersées dans l’arbre dendritique (Govindarajan et al., 2006).

La combinaison in vivo L’enregistrement par patch de cellules entières et l’imagerie calcique à une seule colonne vertébrale ont récemment montré que des épines accordées pour différentes fréquences de pics sont dispersées le long de dendrites de neurones pyramidaux dans le cortex auditif de souris (Chen et al., 2011). Cette constatation soulève une question intéressante: les nouvelles épines en cluster correspondent-elles à des entrées ayant des caractéristiques similaires ou différentes (par exemple, des modèles d'activité, des propriétés de réglage)? Afin de répondre à cette question, il sera nécessaire d'échantillonner les épines sur une large zone de la tonnelle dendritique, d'identifier les «points chauds» du remodelage des épines et de combiner l'imagerie structurelle des épines avec une imagerie fonctionnelle en temps réel. De telles expériences aideront non seulement à élucider les mécanismes cellulaires du remodelage de la colonne vertébrale dépendant de l'activité, mais fourniront également des indices sur la représentation et le stockage d'informations dans les neurones.

DIRECTIONS FUTURES

Dans cet article, nous avons passé en revue les recherches récentes sur la dynamique des épines dendritiques dans le cerveau vivant. Bien que ces études aient considérablement amélioré notre compréhension de la façon dont la dynamique de la colonne vertébrale se modifie dans le temps et dans l’espace, de nombreuses questions demeurent sur différents fronts. Par exemple, existe-t-il des marqueurs moléculaires qui distinguent les épines stables des épines nouvellement formées et les épines à éliminer? Le nombre total d'épines est-il maintenu par un mécanisme homéostatique, de sorte que la dendrite puisse soutenir la demande métabolique de transmission synaptique? Le regroupement de nouvelles épines reflète-t-il les changements dans la force des connexions existantes avec le même axone (tout en conservant la même topologie de réseau) ou indique-t-il l'établissement de connexions supplémentaires avec des axones précédemment non connectés à proximité? Il est à noter que tous les travaux discutés ci-dessus se sont concentrés sur le côté postsynaptique, qui ne représente que la moitié de l'histoire. L'autre facteur déterminant de la distribution et de la dynamique de la colonne vertébrale se situe du côté présynaptique: l'identité et la géométrie des axones présynaptiques et la disponibilité des boutons axonaux. La connaissance de telles informations présynaptiques est cruciale pour la résolution de nombreuses questions découlant des observations de la dynamique de la colonne vertébrale. Cependant, l'identification du partenaire présynaptique d'une épine dendritique imagée reste un défi technique, car l'axone présynaptique peut provenir d'une pléthore de sources et est généralement mélangé à de nombreux autres processus axonaux. En outre, il reste beaucoup à apprendre sur la séquence de remodelage structurel qui se produit au niveau du site de contact entre le bouton axonal et la colonne vertébrale et sur la manière dont cette séquence est associée à la formation et à l'élimination des synapses. L'imagerie simultanée de boutons axonaux et de leurs épines partenaires dans le contexte de la manipulation comportementale fournira des informations abondantes pour répondre à cette question. Examens ultrastructuraux rétrospectifs tels que la microscopie électronique (Knott et al., 2009) et Tomographie par matrice (Micheva et Smith, 2007; Micheva et al., 2010) peut également compléter in vivo imagerie pour valider la présence de synapses et révéler les empreintes moléculaires des structures imagées.

La séquence temporelle et les réarrangements sélectifs dans l'espace des connexions neuronales et la manière dont ces changements contribuent collectivement aux modifications du comportement résultant d'expériences constituent l'une des questions fondamentales en neuroscience. Les progrès des techniques d’imagerie, ainsi que ceux de l’électrophysiologie, de la génétique moléculaire et de l’optogénétique, aideront à révéler le schéma directeur des circuits neuronaux au niveau microscopique, ainsi que les mécanismes de codage, d’intégration et de stockage de l’information dans le cerveau.

CONTRIBUTIONS D'AUTEUR

Chia-Chien Chen a fait la figure. Chia-Chien Chen, Ju Lu et Yi Zuo ont écrit le manuscrit.

Déclaration de conflit d'intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l'absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d'intérêts potentiel.

Remerciements

Ce travail est soutenu par une subvention (R01MH094449) de l'Institut national de la santé mentale à Yi Zuo.

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