Neurobiologie Quantitative de l’Hydre

Pour comprendre les origines des maladies, nous devons explorer la physiologie de l’hôte en tant que métaorganisme – un système dynamique façonné par l’interaction et la coévolution de la biologie de l’hôte, des microbes et de l’environnement. Plus précisément, mon objectif est de comprendre comment les facteurs moléculaires et le microbiote influencent l’homéostasie des réseaux neuronaux et les comportements associés chez l’Hydre.

L’un des enjeux centraux est de décoder le code neural—cartographier les substrats neuronaux qui déterminent le comportement. Dans mon équipe, nous nous concentrons sur le petit cnidaire Hydra vulgaris, qui possède un système nerveux primitif et relativement simple, pouvant potentiellement être entièrement compris. Le système nerveux se compose de 200 à 2 000 neurones (selon la taille de l’animal) appartenant à seulement onze types cellulaires, organisés en deux réseaux nerveux sans céphalisation ni ganglions. L’Hydre présente un répertoire comportemental bien caractérisé, qui a été catégorisé et quantifié à l’aide de techniques d’apprentissage automatique. Ce répertoire inclut des mouvements simples comme des contractions, des torsions et des allongements, ainsi que des modèles d’action fixe plus complexes, tels que l’alimentation, la locomotion, et même certains paradigmes d’apprentissage. En tant que polype, l’Hydre possède des capacités de régénération remarquables, ce qui en fait un sujet idéal pour étudier le neurodéveloppement et l’impact des perturbations moléculaires ou génétiques sur la connectivité neuronale.

D’un point de vue expérimental, la transparence et la petite taille de l’Hydre en font un modèle idéal pour la microscopie, avec presque tous ses neurones adaptés à l’imagerie confocale à haute vitesse utilisant des indicateurs de calcium. Nous avons développé une colonie d’Hydres exprimant le GCaMP, et l’imagerie du calcium est réalisée sur la plateforme d’imagerie de l’institut.

Bien que primitif, l’arsenal moléculaire et l’organisation fonctionnelle du système nerveux de l’Hydre reflètent ceux des organismes bilatériens plus évolués. En particulier, l’activité du réseau nerveux de l’Hydre est organisée en ensembles neuronaux coactifs qui peuvent être considérés comme des unités fonctionnelles, similaires au cortex cérébral des mammifères. Ils représentent des éléments de base fondamentaux, ou l’“alphabet” du code neural. Les principaux ensembles neuronaux de l’Hydre sont activés de manière rythmique, fournissant un modèle utile pour étudier les générateurs de rythmes centraux et leur modulation par les neuropeptides et le microbiome animal. Cette activité rythmique est particulièrement pertinente dans le contexte de la physiologie humaine, car des études récentes ont montré que des perturbations du microbiote intestinal peuvent perturber la rythmique des pacemakers et la motilité intestinale, entraînant des affections gastro-intestinales comme le syndrome de l’intestin irritable.

Pour développer un cadre complet qui relie l’activité neuronale au comportement, nous nous concentrons sur trois grands axes de recherche :

1. Suivi automatique de l’activité des neurones individuels dans les Hydres en mouvement.
2. Développement d’un cadre statistique pour relier l’activité des neurones individuels aux substrats neuronaux sous-jacents au comportement.
3. Création d’un modèle mathématique intégré et d’outils de simulation combinant des données d’imagerie et comportementales pour explorer comment les facteurs environnementaux (comme la lumière, la salinité, etc.) et les facteurs moléculaires, tels que les neuropeptides, modulent l’organisation fonctionnelle du réseau neuronal de l’Hydre et de son comportement

Cette approche ne permettra pas seulement d’approfondir notre compréhension du fonctionnement neuronal de l’Hydre, mais contribuera également au domaine plus large de l’intégration et de l’élucidation de l’influence de divers facteurs sur le développement neuronal et l’homéostasie.