Quantification de la colonne dendritique à l’aide d’un logiciel de reconstruction automatique de neurones tridimensionnels

Les épines dendritiques sont des protubérances de dendrites comprenant souvent le site post-synaptique des synapses glutamatergiques ^1,2. Les épines dendritiques présentent un intérêt particulier dans le domaine de la plasticité synaptique. Les épines sont souvent altérées lorsque la force synaptique change, devenant plus grandes et plus fortes lors de la potentialisation synaptique à long terme ou plus petites et plus faibles lors de la dépression synaptique à long terme 3,4,5,6,7. Au-delà de la plasticité synaptique, le profil des épines dendritiques change tout au long de la vie. Au début du développement, il y a une période de formation et de croissance de l’épine dendritique, suivie d’une taille de l’épine dendritique jusqu’à atteindre un état d’équilibre ^8,9,10. Dans le cerveau vieillissant, la perte de colonne vertébrale accompagne le rétrécissement du cerveau et le déclin cognitif¹¹. De plus, de nombreux troubles neurologiques, neurodégénératifs et psychiatriques sont caractérisés par des épines dendritiques aberrantes. Plusieurs régions du cerveau chez les personnes atteintes de schizophrénie ont moins d’épines dendritiques, résultant probablement d’une altération de l’élagage synaptique¹². Les troubles du spectre autistique sont également caractérisés par des pathologies dendritiques de la colonne vertébrale¹³. La perte de la colonne vertébrale dendritique est une caractéristique de la maladie d’Alzheimer et de la maladie de Parkinson^14,15. Étant donné le large éventail de sujets de recherche englobant l’étude des propriétés dendritiques de l’épine, les techniques de quantification précise de l’épine sont d’une importance capitale.

La coloration, c’est-à-dire la méthode de Golgi, ou le marquage des neurones par remplissage de colorant ou expression de protéines fluorescentes sont des méthodes courantes pour la visualisation de la colonne vertébrale dendritique 16,17,18. Une fois visualisées, les épines peuvent être analysées avec une variété de logiciels clients gratuits et disponibles dans le commerce. Le résultat souhaité de l’analyse est un facteur important pour déterminer quel logiciel sera le plus utilisé. Fiji est une option logicielle viable pour les questions centrées sur la densité des épines dendritiques. Cependant, cette technique repose en grande partie sur un comptage manuel chronophage qui peut introduire un risque de biais. De nouveaux plugins tels que SpineJ permettent une quantification automatique, ce qui permet en outre une analyse plus précise du cou de la colonne vertébrale¹⁹. L’inconvénient de ces approches est la perte d’une analyse tridimensionnelle pour déterminer le volume de la colonne vertébrale, car SpineJ est limité à des piles d’images bidimensionnelles. De plus, l’obtention d’informations sur les sous-types de la colonne vertébrale devient difficile via ces processus. Les quatre sous-types d’épines prédominants, mince, champignon, trapue et filopodes, connotent tous des fonctions individuelles et sont largement classés selon la morphologie²⁰. Les épines minces sont caractérisées par un cou allongé et une tête définie²¹. Les épines des champignons ont une tête d’épine beaucoup plus grande et prononcée²². Les épines trapues sont courtes et présentent peu de variance entre la tête et le cou²³. Les filopodes sont des épines immatures avec un cou long et mince et aucune tête clairement observable²⁴. Bien que la classification fournisse des informations précieuses, les épines existent sur un continuum de dimensions. La classification en catégories est basée sur des plages de mesures morphologiques^25,26. La mesure manuelle des épines pour la classification complique la charge logistique des chercheurs dans cette approche.

D’autres options logicielles axées spécifiquement sur l’analyse tridimensionnelle de la colonne vertébrale dendritique sont mieux adaptées à l’étude du volume de la colonne vertébrale et des propriétés de sous-type 27,28,29,30,31. Malgré les difficultés que présente l’analyse tridimensionnelle, telles que la faible résolution du plan z et le frottis, ces options logicielles permettent une reconstruction tridimensionnelle fiable des dendrites et des épines dendritiques de manière semi-automatisée guidée par l’utilisateur. La classification automatique des épines identifiées dans leurs sous-types est également une caractéristique présente dans certains de ces logiciels d’analyse de la colonne vertébrale. Cela peut atténuer les préoccupations relatives à la charge de travail potentielle et aux biais expérimentaux. Neurolucida 360 est un logiciel disponible dans le commerce qui permet d’identifier et de classifier les épines dendritiques en trois dimensions, fiables et reproductibles32. Ici, nous présentons un protocole complet pour préparer efficacement les tissus fixés, acquérir des images et, finalement, quantifier et classer les épines dendritiques à l’aide de ce logiciel.