© Achanta et al. / iScience Creative Commons

Une équipe de chercheurs américains à récemment dévoilé la carte en 3D des neurones cardiaques, mettant en lumière leur rôle clé dans le bon fonctionnement du cœur, la prévention des crises et autres affections cardiaques.

Modéliser la structure du cœur dans ses moindres détails

Bien que le cerveau contrôle en grande partie le fonctionnement du cœur, en cas de communications défaillantes entre ces organes, ce dernier dispose de son propre centre de contrôle, appelé système nerveux intracardiaque (ICN), qui se charge de corriger certaines anomalies locales. Se composant d’une couche de neurones répartis autour du muscle cardiaque, l’ICN s’apparente à un véritable bouclier, contribuant notamment à le protéger en cas d’infarctus.

Mais jusqu’à récemment, l’organisation de ce réseau complexe de neurones ainsi que leurs propriétés et rôles respectifs restaient mal-compris. Une équipe de chercheurs de l’université Thomas Jefferson, dont les travaux ont été présentés dans la revue iScience, a donc réalisé la première cartographie 3D de l’ICN du rat afin de mieux comprendre le fonctionnement de ce système situé au carrefour de la neurologie et de la cardiologie.

« Nous avons créé la première carte complète du système nerveux cardiaque, à laquelle d’autres chercheurs pourront se référer pour répondre à des questions concernant la fonction, la physiologie et la connectivité des différents neurones au sein de l’ICN », souligne Raj Vadigepalli, co-auteur de l’étude. « Le seul autre organe pour lequel il existe une cartographie 3D aussi détaillée [à l’échelle du micron] étant le cerveau. »

Modèle 3D en rotation montrant la disposition des neurones cardiaques du rat.

Le rôle clef du système nerveux intracardiaque

Deux approches parallèles ont été utilisées pour mettre au point ce modèle 3D ultra-détaillé : une nouvelle technique d’imagerie connue sous le nom de Knife-Edge Scanning Microscopy (KSEM), utilisant 750 000 images assemblées pour recréer l’agencement cellulaire du cœur, ainsi qu’une microdissection par capture laser afin d’échantillonner des neurones uniques, analyser l’expression des gènes, et cartographier avec précision leurs emplacements au sein de cette structure complexe.

Comme les scientifiques le soupçonnaient, il s’est avéré que les neurones de l’ICN étaient positionnés à proximité de certaines structures cardiaques essentielles, comme le nœud sino-auriculaire, dont les cellules commandent le rythme cardiaque. Plus globalement, ceux-ci étaient répartis sur une bande située au sommet du cœur, où veines et artères entrent et sortent, ainsi que le long de l’oreillette gauche, localisée à l’arrière du muscle cardiaque.

En analysant l’expression des gènes de neurones, les chercheurs ont identifié une diversité insoupçonnée de modulateurs, récepteurs et neurotransmetteurs, sous-entendant qu’il existe à la fois des neurones stoppant et actionnant l’activité cardiaque, mais également capables de l’affiner.

L’équipe a également découvert des différences spécifiques au sexe dans les structures des neurones, ce qui permettrait d’expliquer les disparités entre hommes et femmes concernant certaines pathologies cardiaques. Pour en savoir plus, elle prévoit de cartographier le cœur d’un porc, beaucoup plus proche du cœur humain sur le plan anatomique.

Projection partielle du système nerveux intracardiaque – © Achanta et al. / iScience Creative Commons

D’importantes implications et applications

Ce projet s’inscrit dans le cadre du programme SPARC, visant à promouvoir le développement de dispositifs capables de moduler l’activité l’électrique des nerfs périphériques, comme le nerf vague, afin de rétablir ou d’améliorer le fonctionnement des organes majeurs. Grâce à cette cartographie ultra-détaillée des neurones du cœur, les chercheurs devraient être en mesure de déterminer plus précisément quelles zones cibler, ainsi que les fréquences et intensités nécessaires, afin d’obtenir l’effet bénéfique recherché.

L’approche employée pour réaliser cette cartographie 3D présente par ailleurs l’avantage d’être hautement reproductible. Selon les chercheurs, elle pourrait être utilisée pour modéliser précisément d’autres systèmes d’organes (circuits neuronaux, microstructures…), et de ce fait bénéficier à de nombreuses autres spécialités médicales.

On rappelle qu’il y a quelques mois, Google s’était illustré dans le domaine en dévoilant une carte en 3D incroyablement détaillée des connexions cérébrales de la mouche des fruits.

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