Membranes axonales et leurs domaines: assemblage et fonction du segment initial de l'axone et du noeud de Ranvier

Aperçu: G.M.

Les neurones sont des cellules hautement spécialisées du système nerveux qui reçoivent, traitent et transmettent des signaux électriques critiques pour une fonction cérébrale normale.

Les chercheurs ont examiné  l'organisation complexe des domaines de la membrane axonale qui facilitent la conduction du potentiel d'action rapide sous-jacent à la communication entre les circuits neuronaux complexes. Deux domaines excitables critiques des axones des vertébrés sont le segment initial de l'axone (AIS) et les nœuds de Ranvier, qui se caractérisent par des concentrations élevées de canaux ioniques à effet de tension, des molécules d'adhésion cellulaire et des réseaux cytosquelettiques spécialisés.

Bien que l'AIS et les nœuds de Ranvier partagent une composition de protéines similaire, leurs mécanismes d'assemblage diffèrent considérablement. Ici, les chercheurs couvriront les mécanismes de formation et de maintenance de ces domaines axiaux de membranes excitables, soulignant spécifiquement les similitudes et les différences entre eux.  Ils discuteront également des progrès récents dans l'imagerie par fluorescence de super résolution qui ont élucidé l'agencement du cytosquelette axonal sous-embryonnaire révélant une organisation structurelle surprenante nécessaire pour maintenir l'organisation et la fonction axonales. Enfin, les mutations humaines dans les composantes du domaine axonal ont été associées à un nombre croissant de troubles neurologiques comprenant le dysfonctionnement cognitif sévère, l'épilepsie, l'autisme, les maladies neurodégénératives et les troubles psychiatriques. Dans l'ensemble, cette revue met en évidence l'assemblage, la maintenance et la fonction des domaines axiales excitables, en particulier l'AIS et les noeuds de Ranvier, et la façon dont les anomalies de ces processus peuvent contribuer à la maladie. 

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Front Cell Neurosci. 2017 May 9;11:136. doi: 10.3389/fncel.2017.00136. eCollection 2017.

Axonal Membranes and Their Domains: Assembly and Function of the Axon Initial Segment and Node of Ranvier

Nelson AD¹, Jenkins PM^1,2.

Author information

1

Department of Pharmacology, University of Michigan Medical SchoolAnn Arbor, MI, USA.

2

Department of Psychiatry, University of Michigan Medical SchoolAnn Arbor, MI, USA.

Abstract

Neurons are highly specialized cells of the nervous system that receive, process and transmit electrical signals critical for normal brain function. Here, we review the intricate organization of axonal membrane domains that facilitate rapid action potential conduction underlying communication between complex neuronal circuits. Two critical excitable domains of vertebrate axons are the axon initial segment (AIS) and the nodes of Ranvier, which are characterized by the high concentrations of voltage-gated ion channels, cell adhesion molecules and specialized cytoskeletal networks. The AIS is located at the proximal region of the axon and serves as the site of action potential initiation, while nodes of Ranvier, gaps between adjacent myelin sheaths, allow rapid propagation of the action potential through saltatory conduction. The AIS and nodes of Ranvier are assembled by ankyrins, spectrins and their associated binding partners through the clustering of membrane proteins and connection to the underlying cytoskeleton network. Although the AIS and nodes of Ranvier share similar protein composition, their mechanisms of assembly are strikingly different. Here we will cover the mechanisms of formation and maintenance of these axonal excitable membrane domains, specifically highlighting the similarities and differences between them. We will also discuss recent advances in super resolution fluorescence imaging which have elucidated the arrangement of the submembranous axonal cytoskeleton revealing a surprising structural organization necessary to maintain axonal organization and function. Finally, human mutations in axonal domain components have been associated with a growing number of neurological disorders including severe cognitive dysfunction, epilepsy, autism, neurodegenerative diseases and psychiatric disorders. Overall, this review highlights the assembly, maintenance and function of axonal excitable domains, particularly the AIS and nodes of Ranvier, and how abnormalities in these processes may contribute to disease.

PMID: 28536506

PMCID: PMC5422562

DOI: 10.3389/fncel.2017.00136

Identification of neural connectivity signatures of autism using machine learning

Traduction partielle: G.M.

Front Hum Neurosci. 2013 Oct 17;7:670. doi: 10.3389/fnhum.2013.00670.

Identification des signatures de connectivité neuronale de l'autisme grâce à l'apprentissage par la machine

Deshpande G, Libero LE, Sreenivasan KR, Deshpande HD, Kana RK.

Source

AU MRI Research Center, Department of Electrical and Computer Engineering, Auburn University Auburn, AL, USA ; Department of Psychology, Auburn University Auburn, AL, USA.

Abstract

Des altérations de la connectivité neuronale interrégionale ont été suggérées comme une signature de la pathobiologie de l'autisme.  
Il y a eu de nombreux rapports de la connectivité fonctionnelle et anatomique modifiée alors que les personnes avec autisme sont engagées dans des tâches cognitives et sociales complexes . 
Bien que la corrélation instantanée perturbée entre régions corticales observées à partir de l'IRM fonctionnelle est considérée comme un modèle explicatif de l'autisme , l'influence causale d'une région du cerveau à l'autre ( connectivité efficace ) est un lien vital qui manque dans ces études. 
La présente étude vise à répondre à cela dans une étude IRMf de la théorie de l' esprit ( ToM ) chez 15 adolescents et adultes avec autisme à haut fonctionnement cognitif et 15 participants contrôle qui se développent sans autisme.  
Les participants ont visionné une série de vignettes de bandes dessinées dans le scanner IRM et ont été invitées à choisir la fin la plus logique à l'histoire selon trois alternatives , séparément pour les essais portant sur la causalité physique et intentionnelle . 

The mean time series, extracted from 18 activated regions of interest, were processed using a multivariate autoregressive model (MVAR) to obtain the causality matrices for each of the 30 participants. These causal connectivity weights, along with assessment scores, functional connectivity values, and fractional anisotropy obtained from DTI data for each participant, were submitted to a recursive cluster elimination based support vector machine classifier to determine the accuracy with which the classifier can predict a novel participant's group membership (autism or control). 


Nous avons trouvé une précision de la classification maximale de 95,9% avec 19 caractéristiques qui avaient la plus forte capacité discriminative entre les groupes.  
Les 19 caractéristiques étaient les voies de connectivité efficace , ce qui indique que les informations de causalité peuvent être critiques dans la discrimination entre l'autisme et le groupe témoin .  
Ces voies de connectivité efficaces ont également été significativement plus importantes dans les contrôles par rapport aux participants TSA et se composait principalement de sorties de la zone du visage fusiforme et le gyrus temporal moyen indiquant la connectivité avec facultés affaiblies chez les participants atteints de TSA , en particulier dans les zones du cerveau sociaux. Ces résultats soulignent collectivement vers le fait que des modifications dans la connectivité de causalité dans le cerveau TSA pourraient servir de signature neuro-imagerie non -invasive potentielle de l'autisme.

These effective connectivity paths were also found to be significantly greater in controls as compared to ASD participants and consisted predominantly of outputs from the fusiform face area and middle temporal gyrus indicating impaired connectivity in ASD participants, particularly in the social brain areas. These findings collectively point toward the fact that alterations in causal connectivity in the brain in ASD could serve as a potential non-invasive neuroimaging signature for autism.

PMID: 24151458