Simulations informatiques pour les maladies neurodégénératives

• Un nouveau modèle examine comment les graines infectieuses se diffusent à travers la structure inégale du cerveau.
• Les chercheurs ont utilisé l'IRM d'un cerveau adulte pour créer des simulations haute résolution en 2D et en 3D.
• Ces simulations recréent le schéma des dommages observés dans de nombreuses maladies neurodégénératives.

Les maladies neurodégénératives liées à l'âge sont des pathologies multiformes et complexes. Dans la plupart des cas, leur croissance est étroitement liée à la progression de certains agrégats de protéines appelés prions.

Les prions sont des graines infectieuses qui déclenchent une réaction en chaîne d'agrégation et de mauvais repliement des protéines, produisant une autocatalyse conformationnelle. Progressivement, ces graines se développent, se fragmentent et se propagent à d'autres régions du cerveau. Cela affecte le fonctionnement normal du système nerveux et provoque une atrophie cérébrale, une nécrose et finalement la mort. C'est exactement ce qui se passe dans la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer et la SLA.

Aujourd'hui, des chercheurs du Stevens Institute of Technology, de l'Université de Stanford et de l'Université d'Oxford ont développé un nouveau modèle qui examine comment ces graines infectieuses se diffusent à travers la structure inégale du cerveau. Il démontre que la distribution des molécules toxiques dans toutes les maladies dépend de l'endroit où ces molécules sont apparues pour la première fois.

Les simulations indiquent que les lésions cérébrales sont principalement dues à l'élimination par le corps des cellules cérébrales altérées par l'impact physique. Les auteurs pensent que leur outil aidera les scientifiques à bloquer la progression de troubles cérébraux graves.

Le modèle ignore la biochimie

Dans de nombreuses maladies neurodégénératives, les molécules toxiques initiales restent troubles mais elles se copient pour se replier de manière spécifique. La maladie progresse à mesure que les protéines malformées s'étendent dans le cerveau et s'agrègent en amas et en fibres.

Ce nouveau modèle ignore les mécanismes biochimiques et cellulaires et représente simplement les processus fondamentaux de propagation et du nombre croissant de protéines nocives.

Plutôt que de voyager à travers le fluide à l'extérieur des cellules, les molécules toxiques dans le cerveau se déplacent à travers les neurones (réseau de cellules nerveuses). Chaque cellule nerveuse se compose d'un noyau et d'un axone qui transfère des signaux électriques à d'autres cellules nerveuses. Les axones représentent la majeure partie de la matière blanche du cerveau, tandis que leurs corps cellulaires contiennent la majeure partie de la matière grise.

Référence :APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Université d'Oxford

Dans ce modèle, les molécules toxiques diffusent le long des axones à une vitesse particulière et traversent la substance blanche. Ils diffusent également dans les régions extracellulaires mais à un rythme beaucoup plus lent. Dans la matière grise, ces molécules diffusent de manière isotrope à vitesse moyenne. Une fois qu'ils diffusent dans une nouvelle zone, ils créent des copies d'eux-mêmes à un rythme particulier qui dépend du nombre de protéines toxiques présentes dans ces zones.

Simulation de protéines toxiques dans le cerveau

Données cliniques (en haut) vs simulation (en bas) | flèches montrent la propagation de protéines toxiques dans la maladie d'Alzheimer | Crédit : A. Goriely / Université d'Oxford

Pour créer des simulations haute résolution en 2D et en 3D, les auteurs ont utilisé des IRM d'un cerveau adulte. Les simulations informatiques 2D ont été réalisées en tranches verticales (soit d'un côté à l'autre, soit d'avant en arrière), et les simulations 3D couvraient l'ensemble du cerveau.

Ensuite, ils ont cartographié les données cliniques de la progression des maladies de Parkinson et d'Alzheimer. Selon ces données, les protéines toxiques partent d'un endroit particulier et se propagent selon un schéma spécifique. L'auteur a ajouté ces conditions initiales à ses simulations et a découvert que les simulations recréaient avec précision le modèle associé à chaque trouble.

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Le modèle peut aider les scientifiques à en apprendre davantage sur la biochimie en prenant en compte ses aspects physiques. Les simulations montrent clairement que la diffusion joue un rôle majeur dans la progression des troubles neurodégénératifs. Cela pourrait donner de nouvelles orientations aux futures recherches interdisciplinaires.