Dissection régionale cérébelleuse pour l’analyse moléculaire

Le cervelet contient plus de la moitié des neurones dans le cerveau et a toujours été appelé un centre de contrôle moteur et d’équilibre dans le cerveau¹. Plus récemment, des études ont démontré que le cervelet joue un rôle clé dans diverses autres fonctions, y compris la cognition, le traitement de la récompense et^l’affect2,^3,4,5.

Le cervelet a une anatomie bien décrite: la région du cortex est composée de granules, de Purkinje et de couches moléculaires. Les cellules granulaires forment la couche cellulaire granulaire et envoient des entrées via des fibres parallèles aux dendrites cellulaires de Purkinje de la couche moléculaire qui reçoivent également l’entrée des fibres grimpantes provenant de l’olive inférieure. Les cellules de Purkinje envoient des projections inhibitrices aux cellules des noyaux cérébelleux profonds (DCN), qui servent de sortie principale du cervelet. La sortie de ce circuit cérébelleux est en outre modulée par l’activité des interneurones inhibiteurs dans le cortex cérébelleux, y compris les cellules de Golgi, stellaires et^{paniers 4.} Cette unité fonctionnelle cérébelleuse est répartie dans tous les lobules du cortex cérébelleux. Malgré ce circuit relativement uniforme à travers le cervelet, les preuves de la littérature de neuroimagerie humaine et des études de patients indiquent une hétérogénéité fonctionnelle du cervelet^6,7.

Le cortex cérébelleux peut être divisé en deux régions principales: le vermis défini par la ligne médiane et les hémisphères latéraux. Le vermis peut être divisé en lobules antérieurs et postérieurs. Ces régions distinctes du cervelet ont été impliquées dans la contribution à différents comportements. Les modèles d’activité évoqués par une tâche ou sans tâche impliquaient que les régions antérieures du vermis contribuent davantage à la fonction motrice tandis que le vermis postérieur contribue davantage à la cognition^6,7. Le vermis est également lié à l’affect et aux émotions, tandis que les hémisphères cérébelleux contribuent aux fonctions exécutives, visuelles-spatiales, langagiriques et autres fonctions mnémoniques^8. En outre, des études anatomiques ont fourni des preuves que des régions cérébelleuses fonctionnellement distinctes sont liées à différentes régions corticales⁹. La cartographie des lésions-symptômes a révélé que les patients ayant subi un AVC affectant les lobules antérieurs (s’étendant jusqu’au lobule VI) avaient de moins bonnes performances sur les tâches motrices fines, tandis que les patients présentant des lésions des régions du lobe postérieur et des hémisphères présentaient des déficits cognitifs en l’absence de syndrome moteur cérébelleux¹⁰. Enfin, la pathologie cérébelleuse régionale dans la maladie indique que les régions cérébelleuses fonctionnellement distinctes sont également différemment sensibles à la maladie^11,12.

Bien que beaucoup moins explorées, les preuves préliminaires démontrent des signatures d’expression génique distinctes dans les régions corticales cérébelleuses. L’expression cellulaire de Purkinje de Zebrin II montre un motif spécifique à la région dans le vermis tel qu’il y a plus de cellules positives de Zebrin II dans les lobules postérieurs et moins dans les lobules antérieurs¹³. Ceci est également en corrélation avec la fonction physiologique régionalement distincte car les cellules de Purkinje négatives de Zebrin II présentent une fréquence de déclenchement tonique plus élevée que les cellules de Purkinje qui sont Zebrin II positives¹⁴.

En plus du cortex cérébelleux, le cervelet comprend les noyaux cérébelleux profonds (DCN) qui servent de sortie primaire pour le cervelet. Les noyaux sont constitués des noyaux médiaux (MN), interposés (IN) et latéraux (LN). L’imagerie fonctionnelle et les études sur les patients ont démontré que le DCN participe également à divers comportements¹⁵, mais très peu d’études examinent le changement d’expression génique dans le DCN.

Les progrès des techniques moléculaires ont permis d’évaluer l’expression génique régionale dans le cerveau et ont révélé une hétérogénéité entre et au sein de différentes régions du cerveau dans les états physiologiques et pathologiques¹⁶. De telles études impliquent que le cervelet est différent des autres régions du cerveau. Par exemple, le rapport des neurones aux cellules gliales est inversé dans le cervelet par rapport à d’autres régions du cerveau¹. Même dans des conditions physiologiques normales, l’expression des gènes pro-inflammatoires est régulée à la hausse dans le cervelet par rapport aux autres régions du cerveau¹⁷. Les techniques moléculaires ont également été très utiles pour identifier les voies qui contribuent à la pathogenèse des maladies cérébelleuses. Par exemple, le séquençage de l’ARN de l’ensemble des extraits cérébelleux a identifié des gènes modifiés dans un modèle murin transgénique spécifique à la cellule de Purkinje de l’ataxie spinocérébelleuse de type 1 (SCA1) par rapport à leurs témoins de type sauvage. De telles preuves ont révélé des voies moléculaires clés sous-jacentes à la pathogenèse dans les cellules cérébelleuses de Purkinje et ont aidé à identifier des cibles thérapeutiques potentielles¹⁸. Cependant, des études récentes suggèrent qu’il existe des différences dans la vulnérabilité aux maladies dans les régions cérébelleuses^11,12,19. Cela pourrait indiquer qu’il y a des changements clés qui se produisent dans des régions cérébelleuses distinctes, qui peuvent être masquées ou non détectées avec des extraits cérébelleux entiers. Il est donc nécessaire de développer des techniques qui permettent aux chercheurs d’examiner les profils moléculaires dans différentes régions cérébelleuses.

La technique proposée ici décrit une méthode reproductible pour disséquer quatre régions distinctes du cervelet de la souris afin d’isoler l’ARN de ces régions et d’explorer les différences régionales dans l’expression des gènes. Le schéma du cervelet de la souris sur la figure 1A met en évidence le vermis en bleu et les hémisphères en jaune. Concrètement, cette technique permet d’isoler quatre régions : les noyaux cérébelleux profonds (DCN) (cases pointillées rouges sur la figure 1A),le cortex cérébelleux du vermis antérieur (CCaV) (bleu foncé sur la figure 1A),le cortex cérébelleux du vermis postérieur (CCpV) (bleu clair sur la figure 1A),et le cortex cérébelleux des hémisphères (CCH) (jaune sur la figure 1A). En évaluant séparément l’expression génique de ces régions, il sera possible d’étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents aux fonctions discrètes de ces différentes régions ainsi que les différences potentielles dans leur vulnérabilité à la maladie.