Simulations cérébrales haute résolution : comment les graines infectieuses se propagent dans les maladies neurodégénératives

• Un nouveau modèle examine comment les graines infectieuses diffusent à travers la structure inégale du cerveau.
• Les chercheurs ont utilisé des IRM d'un cerveau adulte pour créer des simulations haute résolution en 2D et 3D.
• Ces simulations reproduisent le motif de dommages observé dans de nombreux troubles neurodégénératifs.

Les maladies neurodégénératives liées à l'âge sont des pathologies multiples et complexes. Dans la plupart des cas, leur évolution est étroitement liée à la progression de certains agrégats protéiques connus sous le nom de prions.

Les prions sont des graines infectieuses qui déclenchent une réaction en chaîne d'agrégation et de repliement anormal des protéines, produisant une autocatalyse conformationnelle. Progressivement, ces graines s'étendent, se fragmentent et se propagent vers 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 produit dans les maladies de Parkinson, d'Alzheimer et la SLA.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut de technologie Stevens, de l'Université Stanford et de l'Université d'Oxford ont développé un nouveau modèle qui examine comment ces graines infectieuses 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 dommages cérébraux surviennent principalement en raison de l'élimination par l'organisme des cellules cérébrales altérées par l'impact physique. Les auteurs estiment que leur outil aidera les scientifiques à bloquer la progression de graves troubles cérébraux.

Le modèle ignore la biochimie

Dans de nombreuses maladies neurodégénératives, les molécules toxiques initiales restent obscures, mais elles se copient elles-mêmes pour se replier d'une manière spécifique. La maladie progresse alors que les protéines malformées s'étendent à travers le cerveau et s'agrègent en amas et fibres.

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

Plutôt que de voyager à travers le fluide extracellulaire, les molécules toxiques dans le cerveau se déplacent le long des neurones (réseau de cellules nerveuses). Chaque cellule nerveuse se compose d'un noyau et d'un axone qui transmet des signaux électriques à d'autres cellules nerveuses. Les axones représentent la majeure partie de la substance blanche du cerveau, tandis que leurs corps cellulaires contiennent l'essentiel de la substance 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 un taux particulier et traversent la substance blanche. Elles diffusent également dans les régions extracellulaires, mais à un rythme beaucoup plus lent. Dans la substance grise, ces molécules diffusent de manière isotrope à un taux moyen. Une fois qu'elles diffusent dans une nouvelle zone, elles créent des copies d'elles-mêmes à un taux particulier qui dépend du nombre de protéines toxiques présentes dans ces zones.

Simulation des protéines toxiques dans le cerveau

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

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

Ils ont ensuite cartographié les données cliniques de la progression de la maladie de Parkinson et d'Alzheimer. Selon ces données, les protéines toxiques démarrent d'un emplacement particulier et se propagent selon un motif spécifique. Les auteurs ont fourni ces conditions initiales à leurs simulations et ont découvert que celles-ci recréaient avec précision le motif associé à chaque trouble.

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Le modèle peut aider les scientifiques à en apprendre davantage sur la biochimie en tenant compte de 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 à la recherche interdisciplinaire future.