La première carte des lipides du cerveau dressée chez la souris

On parle souvent du cerveau en termes de cellules et de connexions. Or, il est en grande partie constitué de lipides qui forment les membranes des neurones, enveloppent les fibres nerveuses de myéline et aident les cellules cérébrales à envoyer et à recevoir des signaux.

Malgré leur importance, les lipides ont longtemps constitué un angle mort des neurosciences. Contrairement aux gènes et aux protéines, qui ont été cartographiés en détail, les méthodes d’imagerie standard peinent à distinguer les molécules lipidiques les unes des autres.

« Jusqu’à présent, les scientifiques ne possèdent qu’une image vague des différences entre les lipides d’une partie du cerveau à l’autre », explique Giovanni D’Angelo, titulaire de la Chaire Fondation Kristian Gerhard Jebsen en nutrition et métabolisme à l’EPFL. « Il est important de combler cette lacune, car les modifications des lipides cérébraux sont de plus en plus associées à des pathologies allant de la dépression à la maladie d’Alzheimer. »

Une équipe de l’EPFL, dirigée par Giovanni D’Angelo, Luca Fusar Bassini et Gioele La Manno, vient d’établir un atlas détaillé des lipides couvrant l’ensemble du cerveau chez la souris. Sous le nom de Lipid Brain Atlas, il montre que ces molécules suivent un schéma précis et ordonné qui correspond à l’anatomie connue du cerveau, et révèle des limites que l’anatomie seule n’avait pas mises en évidence. Ce schéma est si caractéristique que, en se basant uniquement sur les lipides, l’équipe a pu déterminer de quelle partie du cerveau provenait un fragment de tissu.

L’étude est publiée dans Nature.

Les lipides dans le cerveau de la souris

Pour élaborer cet atlas, l’équipe a utilisé une méthode appelée imagerie par spectrométrie de masse. Concrètement, cette technique consiste à diriger un laser point par point sur de fines tranches de tissu cérébral et à enregistrer les lipides présents à chaque emplacement.

Les scientifiques ont mesuré au total 172 lipides sur 109 coupes provenant de 11 souris. Afin de transformer environ 7 millions de mesures individuelles en un modèle 3D de l’ensemble du cerveau, de nouveaux outils d’apprentissage automatique ont été spécialement développés pour ce projet.

La carte finale a divisé le cerveau en 539 zones distinctes, que l’équipe a baptisées lipizones, chacune présentant une composition lipidique qui lui est propre.

Si de nombreuses lipizones correspondent à des types cellulaires et à des régions cérébrales connus, d’autres relient un groupe de cellules nerveuses à des zones éloignées que leurs fibres atteignent. Il s’agit là d’une connexion que les cartes basées sur les gènes ont généralement négligée. « En effet, les lipides fonctionnent comme des codes postaux, attribuant la même adresse chimique à des parties du cerveau éloignées, mais liées », précise Giovanni D’Angelo.

L’Atlas met en évidence des schémas que les méthodes précédentes avaient négligés. La substance blanche du cerveau, longtemps considérée comme relativement uniforme, s’est révélée être une mosaïque de zones distinctes. « Cela montre que les cellules qui produisent la myéline présentent une composition chimique bien plus variée que ne le laisseraient supposer leurs seuls gènes », explique Luca Fusar Bassini. L’atlas a mis en évidence d’autres frontières chimiques au niveau du plexus choroïde, le tissu qui produit le liquide céphalo-rachidien, ainsi que dans les parois de ses cavités internes.

Cartographie pendant la grossesse

En outre, cet atlas révèle l’évolution des lipides cérébraux au cours de la grossesse. Chez les souris gestantes, les lipides ont subi des modifications dans de nombreuses régions, et ces changements étaient globalement plus importants que les différences habituelles entre les mâles et les femelles. Le cortex, la couche externe du cerveau, a subi une profonde transformation, tandis qu’un composant essentiel de la myéline, appelé galactosylcéramide, a fortement augmenté dans une grande partie de la substance blanche du cerveau.

« Pris dans leur ensemble, ces changements suggèrent que le cerveau réajuste son propre câblage pour répondre aux exigences de la grossesse, détaille Gioele La Manno. L’Atlas révèle que le cerveau ajuste constamment ses lipides pour répondre au changement des besoins de l’organisme. »

Le Lipid Brain Atlas est accessible gratuitement en ligne, offrant ainsi une nouvelle source d’informations complémentaire à la génétique et à la biologie cellulaire. Il constitue une référence précieuse pour déterminer où les lipides présentent des anomalies et comment cela est lié au développement cérébral, au vieillissement et aux maladies.

« La carte ne correspond pas au cerveau humain, mais la méthode peut être transposée. Aussi, nous savons désormais qu’un cerveau sain possède une carte lipidique très organisée », résume Luca Fusar Bassini.

Cette expérience, menée à l'EPFL dans des conditions régies par la législation suisse sur le bien-être des animaux, a été approuvée par les autorités vétérinaires compétentes, notamment parce que le gain potentiel de connaissances a été jugé supérieur à la souffrance potentielle infligée à l'animal.

Autres contributeurs

• Swiss Data Science Center (SDSC)
• Faculté d’ingénierie de la ZHAW