Une nouvelle étude, dans l'édition en ligne de cette semaine de la Actes de l'Académie nationale des sciences , Montre un degré incroyable de diversité biologique dans un emplacement surprenant, c'est-à-dire dans une seule connexion neurale dans la paroi du corps des mouches. La découverte ouvre un nouveau spectre de questions intéressantes concernant l'importance de la structure du système nerveux et l'évolution du câblage neuronal.

Le généticien Barry Ganetzky, professeur Steenbock de sciences biologiques à l'Université du Wisconsin-Madison a déclaré:

"Nous ne connaissons presque rien sur l'évolution du système nerveux, bien que nous sachions qu'il doit se produire - le changement de comportement, les changements de complexité, l'ajout de nouveaux neurones, la formation de différentes connexions synaptiques".

La découverte s'avère encore plus étonnante étant donné que Ganetzky et son étudiant diplômé Megan Campbell ont découvert la diversité inattendue dans un lieu très familier pour les scientifiques, c'est-à-dire la jonction neuromusculaire 4 (NMJ4), l'endroit où un seul neurone moteur entre en contact avec un muscle particulier en vol La paroi du corps pour diriger son activité. Les synapses où les neurones se lient à leurs cibles neuronales ou musculaires ont une forme structurelle complexe, ressemblant à des arbres miniatures ornés de minuscules bulbes qui sont les bornes nerveuses (boutons synaptiques).

Ganetzky explique:

"Les synapses sont l'origine du transfert important d'informations et des fonctions intégratives du système nerveux. C'est l'endroit fondamental où se déroule le traitement de l'information et il existe une croyance sous-jacente selon laquelle la structure de la synapse est la clé de la compréhension de sa fonction".

Chaque muscle est fourni par un neurone moteur différent qui forme un NMJ avec une forme, une taille et une caractéristique de géométrie pour ce NMJ particulier. Compte tenu de la cohérence de l'anatomie de la mouche, même à travers différentes espèces permet aux chercheurs d'identifier exactement la même synapse dans différentes mouches individuelles. Le développement synaptique et la fonction de NMJ4 ont été bien étudiés, et Ganetzky a utilisé NMJ4 depuis plus de 20 ans pour identifier les gènes avec une foule de rôles biologiques des troubles du mouvement à la neurodégénérescence.

Le dernier projet découle d'un simple débat de ce qui est vraiment «normal» pour les mouches des fruits de laboratoire et leurs homologues sauvages. Campbell a découvert, lors d'un examen du NMJ4 dans la mouche commune des fruits de laboratoire, Drosophila melanogaster, que la morphologie synaptique entre les mouches sauvages et les troupeaux, ainsi que entre les souches obtenues à Madison, Wisconsin, et des souches aussi loin que le Zimbabwe Était cohérent, avec toutes les mouches ayant des mandarins et des boutons semblables.

Encouragés par la découverte, ils ont décidé d'enquêter davantage. Ganetzky dit: «La drosophile est un genre très riche - des milliers d'espèces avec des comportements différents, différentes préférences alimentaires, différents environnements, différents climats, différentes tailles - avec une augmentation de 50 millions d'années de divergence». Il peut être comparé à la séparation évolutive entre les souris et les humains.

Il ajoute que, indépendamment de ces différences, le plan du corps larvaire est exactement le même dans toutes les espèces connues de Drosophila, quelle que soit leur taille, leur habitat ou leur source alimentaire, en précisant que:

"La cellule pour la cellule, la musculature de la paroi du corps et les motifs d'innervation sont identiques".

Ils ont commencé à enquêter sur le NMJ4 dans d'autres espèces de Drosophila avec l'aide de la collection de mouches de Sean B. Carroll de biologiste d'UW-Madison. Ils s'attendaient à trouver des modèles prévisibles avec de petites variations lorsqu'ils se sont concentrés sur leur synapse cible dans 21 espèces différentes de Drosophila du monde entier, mais après avoir examiné seulement quelques espèces, Campbell a déclaré qu'une image différente a émergé.

À l'instar de Drosophila melanogaster, chaque espèce avait une apparence NMJ4 caractéristique, mais cette apparence différait considérablement parmi les espèces. Alors que NMJ4, dans certaines espèces, était composé de quelques boutons disposés dans un simple motif non ramifié, d'autres avaient de nombreux boutons répartis sur plusieurs longues branches, ou beaucoup de boutons étaient emballés dans des tonnelles denses et serrées.

Même si Ganetzky déclare: «Les résultats ont été absolument flasques: variation bien au-delà de tout ce que nous avions prévu, il y avait plus de surprises.

Les variations frappantes de la complexité ne correspondaient pas à une relation évolutive entre les espèces, c'est-à-dire que les NMJ des espèces plus étroitement apparentées ne ressemblaient plus à celles des mouches plus éloignées.

Ils ont même découvert des variations évidentes entre les espèces qui ont été séparées par moins d'un million d'années d'évolution, des espèces qui, par ailleurs, semblent tellement semblables que même les experts en vol ont du mal à les distinguer en fonction de leur apparence. Selon les chercheurs, une telle évolution rapide est étonnante bien que son importance biologique reste incertaine.

Une réponse à la question de savoir ce qui pourrait expliquer une telle variation extraordinaire peut être la possibilité d'une dérive génétique, une accumulation aléatoire de variations génétiques qui modifient l'apparence du NMJ mais qui n'ont aucun impact sur l'organisme autrement. Fondamentalement, tout NMJ qui répond à l'objectif suffira. Une autre alternative pourrait être que chaque NMJ est formé par une sélection naturelle en raison de sa taille et de sa structure particulières pour augmenter de quelque façon la survie ou le succès reproducteur pour les membres de cette espèce.

Aidés par les spécialistes généticiens UW-Madison Bret Payseur et Beth Dumont, les chercheurs ont utilisé un modèle quantitatif pour examiner les différentes structures NMJ, en fonction de la connexion évolutive parmi 11 espèces, dont l'arbre évolutif est précisément connu à partir du séquençage génomique.

Ganetzky dit que les résultats démontrent que la variabilité qu'ils ont observée ne semble pas être aléatoire, en précisant:

"Ce que cela suggère, c'est qu'il y a une force motrice - sélection naturelle - qui façonnent la synapse pour être un moyen particulier."

Ils ont émis l'hypothèse que la fonction neurale serait une cible évidente de sélection et mesurait l'activité électrique dans le circuit, mais a découvert des enregistrements d'activité de quatre espèces pour représenter la gamme de complexité structurelle a révélé le même fonctionnement basique basique indépendamment de la structure synaptique.

Selon les chercheurs, il peut y avoir des différences fonctionnelles subtiles entre les différentes structures NMJ qui n'ont pas été détectées par leur analyse, mais qui pourraient diverger en différences biologiques distinctes. Par exemple, la capacité d'apprentissage ou les réponses au stress qui seraient une cible pour la sélection naturelle.

Ganetzky commente:

"Nous croyons qu'il y a une raison pour laquelle la variation importe, mais nous ne savons pas encore quelle est cette raison".

Campbell et Ganetzky étudient actuellement pour étudier s'il existe ou non des mécanismes génétiques et moléculaires sous-jacents et l'importance biologique de cette variation naturelle.

Ganetzky conclut:

"Nous pensons que nous avons fait une découverte importante sur la nature qui, nous pensons, ouvre toutes sortes de nouvelles portes. À ce stade, nous avons soulevé beaucoup d'autres questions que nous avons répondu... des questions sur l'évolution du système nerveux Les systèmes, l'évolution du comportement, la relation entre la morphologie et la fonction neuronales et synaptiques. J'espère que cela attire l'attention des scientifiques dans de nombreux autres domaines pour appliquer leurs propres domaines d'expertise.

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