Auteur : julienforscience

Une personne de science: Henrietta Lacks et le cas des cellules volées

Le par julienforsciencedans People in Science / Une personne de scienceLaisser un commentaire

L’article d’aujourd’hui se concentrera sur l’histoire d’Henrietta Lacks. C’était une femme qui, malgré elle, a pu énormément changer la science en nous donnant la première lignée cellulaire immortelle. Malheureusement, cette découverte est accompagnée de méthodologies scientifiques peu éthiques, qui continuent aujourd’hui à être controversées.

Henrietta Lacks est née en 1920 à Roanoke, Virginia. Plus tard, elle a déménagée en Maryland et a porté cinq enfants. En 1951, peu après la naissance de son cinquième enfant, elle est entrée dans le département de gynécologie de l’hôpital John Hopkins, où ils ont découvert un cancer cervical. Elle en mourra quelques mois plus tard. Cependant, pendant son traitement, son gynécologue a prélevé quelques cellules de son cervix, sans son accord. Il les a ensuite donnée au Dr. George Gey, directeur du département de culture de tissue à John Hopkins [source / source / source].

Dr. George Gey étudiait quelque chose qui relevait de la fantaisie: les cellules immortelles. Même en 1950, les scientifiques étaient capables d’extraire des cellules de patient pour ensuite les étudier, mais ces cellules mourraient quelques jours plus tard, comme toute cellule. Cependant, en recevant les cellules d’Henrietta, il a remarqué que non seulement ces cellules ne mourraient pas, mais elle se répliquaient bien plus rapidement que des cellules en santé. Il nomma ces cellules HeLa, d’après sa propriétaire [source / source].

Les cellules HeLa furent les première lignées cellulaires immortelles que la science eut accès. En étudiant ces cellules, on observe énormément de mutations: d’abord, elles possèdent jusqu’à 80 chromosomes, alors qu’une cellule en santé en possède 46. De plus, les cellules HeLa ont une protéine trop active appelée télomérase, qui permet de ralentir la vieillesse cellulaire. Ces mutations ont été causées par le papillomavirus (HPV), qui fut la cause du cancer d’Henrietta. Ces mutations font en sorte que la cellule est incapable de mourir. En cas de cycle cellulaire en santé, il existe plusieurs points de contrôle qui vérifie que la cellule est capable de se reproduire correctement, ou s’il faut la tuer. Pour les cellules HeLa, et la plupart des cellules cancéreuses, ces points de contrôle n’existent plus, ce qui crée une cellule immortelle capable de reproduire indéfiniment [source / source].

Même aujourd’hui les cellules HeLa sont encore utilisées, et elles ont permis des découvertes immenses. La première évidemment est de savoir comment créer des cellules immortelles à partir de presque n’importe quelle cellule. Mais les HeLa cells ont également permis de développer le vaccin pour la polio, d’étudier les effets de la radiation sur les humains, et elles ont même été envoyées dans l’espace pour étudier l’effet de l’environnement sur les cellules. En général, les cellules immortelles nous ont permis d’étudier les effets d’un matériel sur les humains sans avoir à les mettre en danger par exposition directe. Malheureusement, comme mentionné précédemment, Henrietta Lacks ne savait pas que ses cellules avaient été récoltées. Pire encore, la communauté scientifique à caché son identité sous le faux nom Helen Lane. Ces cellules, une fois commercialisées, ont généré un revenue immense, que la famille d’Henriette n’a jamais su, puis une fois découvert, ils n’ont pas été compensés. De plus, la famille d’Henrietta ne sait pas pour quoi ces cellules sont utilisées. Une des plus grande controverses fut la transmission publique du génome des cellules HeLa. La totalité des gène d’Henrietta, incluant les maladies potentiellement transmises à sa famille, étaient maintenant connus de tous, même si la famille ne le voulait pas. De plus, à cause de l’environnement social dans les années 50, un plainte venant d’une famille de personne de couleur n’était pas prise au sérieux. La controverse des cellules HeLa continue encore aujourd’hui, puisque la famille n’a toujours pas été compensée [source / source / source / source].

La découverte des cellules HeLa est très complexe: d’un côté, ces cellules ont pu énormément avancer la science, mais au prix de pratiques non éthiques. Cette histoire est un exemple parfait du proverbe la fin justifie les moyens, mais est-ce correct de donner le droit à la science de faire ce qu’elle veut pour l’avancement de la connaissance?

People in Science: Henriette Lacks and the stolen cells

Le par julienforsciencedans People in Science / Une personne de scienceLaisser un commentaire

Today’s article will look into the story of Henrietta Lacks, a woman who, unbeknownst to her, drastically changed all of science by giving us the first immortalized cell line. Unfortunately, this discovery came at the cost of unethical practices that to this day are still controversial.

Henrietta Lacks was born in 1920 in Roanoke, Virginia. She later moved to Maryland with her husband, where she had five children. In 1951, soon after her fifth birth however, she was accepted into the gynecology department of John Hopkins Hospital, where she was diagnosed with cervical cancer. She unfortunately passed a few months later from the disease. However, during her treatment, her gynecologist took some of her cervical cells, without her consent or knowledge. These cells were for Dr. George Gey, the head of the tissue culture department at John Hopkins [source / source / source].

Dr. George Gey was looking for something that at the time was only a fantasy: immortal cells. Even in the 1950s, labs were able to collect cells from a patient and study them in their labs, however they would die a few days later, as any cell would. However, upon receiving Henrietta’s cells, he made a surprising discovery. Not only were her cells never dying, they were replicating very fast. He named these cells HeLa cells, the only mark linking these cells to Henrietta Lacks [source / source].

As such, HeLa cells became the first immortalized cell line that science had access to. If we study these cells, we observe an enormous amount of mutations: first, they have upwards of 80 chromosomes instead of the 46 healthy cells possess. Furthermore, these cells have an overacting protein called telomerase, whose role is to slow down aging. These mutations were caused by the papillomavirus (HPV) that caused Henrietta’s cancer. Due to these changes, the cell is unable to die. During a healthy cell cycle, there are various checkpoints that allow the cell to replicate, or to stay alive. In HeLa cells, and many cancerous cells, these checkpoints are cancelled, and the cell will not only continue to survive, it will replicate indefinitely [source / source].

To this day, we still use HeLa cells, and they have allowed us to make tremendous discoveries, the first one being that we can now create immortal cells from almost all cells. But HeLa cells were also used to develop the polio vaccine, they were used to study radiation, and were even sent in space to study the effect of the environment on our cells. Immortalized cell lines allow us to study the direct effect of something on human cells without having to put humans in danger. However, as I mentioned, Henrietta Lacks did not consent to give her cells. Worse even, many scientist hid the actual identity of the cell’s owner under the fake name Helen Lane. Therefore, neither Henrietta nor her family knew that her cells were used. These cells, once commercialized, created a large revenue that never reached the family. Further, the family did not, and still does not, know how the cells are used. One of the big controversies was the public release of the genetic content of HeLa cells, which indicates every aspect of Henrietta Lack’s genetic makeup, including potential illnesses. Genetic informations are nowadays always confidential, and this public release exposed Henrietta’s family. And because of the social environment in the 1950s, complaints from a family of black people was not taken seriously, if listened to at all. The controversy continues to this day, with no compensation to the family [source / source / source / source].

Overall, the discovery of HeLa cells is bittersweet; these cells have drastically improved the life of humans in general, but at the cost of unethical practices. This story is a prefect example of the saying the end justify the mean. However, should science really be allowed everything for the sake of knowledge?

La communication cellulaire: la plaque motrice

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Aujourd’hui nous finissons notre série d’article sur la communication neuronale. Précédemment, nous avons vu comment les neurones sont capables de communiquer entre eux, et comment ils s’envoient de l’information. Cette fois, nous verrons comment cette information est utilisée, notamment avec l’exemple de la plaque motrice.

Avant de comprendre comment utiliser l’information, il est important de comprendre d’où elle vient. En général, une information neuronale est une réponse à un stimulus externe. Par exemple, si quelqu’un nous touche, les neurones sensoriels de la peau vont créer une réponse électrique qui indique qu’on a été touchés. Cette information va être envoyée à plusieurs endroits: d’abord au cerveau pour l’informer du toucher, mais aussi aux autres neurones environnant, pour informer que ce toucher n’était pas douloureux, donc il ne faut pas qu’ils s’activent. Généralement le corps répond à un stimulus par créer un movement. Par exemple enlever sa main quand on touche quelque chose de chaud, utiliser nos muscles des poumons pour respirer, etc … Et presque tous les mouvements sont initiés par la plaque motrice [source].

La plaque motrice est une synapse un peu spéciale, car au lieu de neurones pré- et postsynaptiques, il y a un neurone présynaptique et un muscle. Quand le neurone présynaptique reçoit un potentiel d’action qui va traverser tout le long du neurone jusqu’à la plaque motrice. Là il va activer l’éjection des neurotransmetteurs. Dans ce cas-là, le neurotransmetteur utilisé est l’acétylcholine (Ach). Ach active son récepteur (appelé récepteur nicotinique), ce qui va causer l’entrée d’un flux d’ions dans le muscle. Cette fois-ci au lieu de causer un potentiel d’action, il va initier la contraction du muscle et la formation d’un mouvement [source].

L’exemple de la plaque motrice nous montre également l’importance des neurotransmetteurs. Selon le neurotransmetteur utilisé, la réponse peut être complètement différente. De la même façon, un neurotransmetteur peut avoir plusieurs récepteurs, et en fonction de celui qui est activé la réponse peut être différente. On peut trouver cette situation chez les neurones qu’on appelle neurone de type épineux de taille moyenne (NEM). Ces neurones font office de douane pour le mouvement, capable de soit l’autoriser soit l’interdire. Ces différences peuvent être expliquée par les récepteurs. Bien que tous les NEMs sont activés par la dopamine, certains expriment le récepteur de dopamine D1, qui va causer l’activation du mouvement, d’autres expriment le récepteur de dopamine D2, qui va causer l’inhibition du mouvement [source].

En conclusion, la communication neuronale est un concept très complexe qui mélange à la fois l’électricité et la chimie. Et même si le mécanisme de communication est presque toujours le même, certaines modifications sont capables de totalement modifier une réponse.

Cell-Cell Communication: The Neuromuscular Junction

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Today marks the last article on neuronal communication. In the past two articles, we saw how neurons are able to transmit information with each other. Today, we will see how this information is used, mostly through the understanding of neuromuscular junction.

To understand how neuron use the information, we first need to understand where it is originally from. Simply put, neuronal information is a response to a stimulus. For example, if you are touched, sensory neurons on the skin will transform the touch into electrical information. This information will go to many places: first in the brain, to inform it that touch is happening, but then to other neurons in the perimeters to tell them that the touch is not painful and they should not activate. However, one of the main response to a stimulus is movement. Indeed, if for instance you were to touch something hot, the neurons will tell your hand to move it away from it. Neurons also tell you everyday to walk, use your lung muscles to breathe, etc… And most if not all movement starts at the neuromuscular junction [source].

The neuromuscular junction (NMJ) is a specialized synapse, but instead of a pre- and postsynaptic neuron, we have a presynaptic neuron and a muscle. In this scenario, the presynaptic neuron receives an action potential, which will travel down the neuron towards the NMJ. There, it will activate the release of neurotransmitters. In this case, the main neurotransmitter is acetylcholine (Ach). These neurotransmitters will bind to the receptors nicotinic acetylcholine receptors (nAchR) at the muscle membrane. When Ach binds, it causes an influx of ions, similar to any synapse. However, instead of creating an action potential, this influx of ion will cause muscle contraction, and initiate movement [source].

The example of NMJ can also show us the importance of neurotransmitters. Depending on which one is used, the information will be treated differently. Similarly, a neurotransmitter may have different receptors, and depending on which one is activated, the answer will be different. An example for this will be from specific neurons in the brain called medium spiny neurons (MSNs). These neurons are the customs of movement, they either allow or forbid it. Such drastic difference in response is explained by a difference in receptors. While all MSNs receive the neurotransmitter dopamine, some MSNs will express the dopamine D1 receptor, which will activate the movement, while the others express the dopamine D2 receptor, which will prevent it [source].

Overall, neuronal communication is a complex concept that mixes both electricity and chemistry. But while the mechanism is nearly always the same, the results can be drastically changed thanks to slight modification such as neurotransmitter use.

La communication cellulaire: les synapses

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

La semaine dernière nous avons vu comment un neuron est capable d’obtenir une information, et comment celle-ci se transforme en courant électrique. Aujourd’hui nous allons continuer de voir comment l’information se déplace, mais cette fois comment elle va d’un neurone à un autre, grâce à une structure appelée synapse.

La structure d’une synapse

La semaine dernière, on a vu qu’après avoir reçu une information, le neurone va créer un potentiel d’action à l’aide de flux d’ions. Ce potentiel d’action va ensuite se déplacer dans tout le neurone jusqu’à la fin de celui-ci, vers la synapse. une synapse est composée de deux neurones: celui qui envoie l’information (le neurone présynaptique), et celui qui la reçoit (le neurone postsynaptique). ces deux neurones sont extrêmement proche l’un de l’autre, et c’est cette proximité qui va permettre la transmission d’information. Par contre, ça ne sera plus sous forme électrique, mais chimique. Dans le neurone présynaptique, on peut trouver des « poches », qu’on appèle vésicules, qui contiennent des molécules appelée neurotransmetteurs. On a tous entendu parlé de certaines de ces molécules, notamment la sérotonine ou la dopamine. Ces neurotransmetteurs vont simplement transmettre une information au neurone postsynaptique, comme leur nom l’indique. Pour comprendre comment ils marchent, nous allons voir deux exemples: d’abord l’excitation d’un neurone, puis son inhibition [source / source / source].

L’excitation d’un neurone

Dans cet exemple, le neurone présynaptique à reçu l’information « d’activer » le neurone postsynaptique. On appelle ça l’excitation. Le potentiel d’action va traverser tout le neurone jusqu’à la synapse, puis va causer l’expulsion des neurotransmetteurs grâce encore une fois à l’influx d’ions Ca2+. Il existent beaucoup de neurotransmetteurs capables d’exciter un neurone, mais le plus commun dans le cerveau s’appelle le glutamate. Une fois les vésicules ouvertes, le glutamate va se trouver entre les deux neurones, prêt à l’action. À la surface du neurone postsynaptique, on peut trouver des récepteurs spécifiques au glutamate. Il y en a deux, appelés les récepteurs AMPA et NMDA. Le glutamate va s’attacher aux deux, mais le récepteur AMPA va s’activer en premier, causant un flux d’ions positifs dans le neurones. La combinaison du glutamate et du flux d’ions va ensuite activer le récepteur NMDA, qui va lui aussi causer un plus gros flux d’ions positif dans le neurone. On se retrouve avec énormément de charges positives dans le neurone, ce qui cause une dépolarisation, et la création d’un potentiel d’action, qui va lui aussi traverser le neurone pour recommencer le cycle vers un autre neurone [source / source / source].

L’inhibition d’un neurone

L’inhibition d’un neurone est très similaire à l’excitation, si ce n’est du résultat final. Comme son nom l’indique, l’information reçue par le neurone présynaptique va causer l’inhibition du neurone postsynaptique, l’empêchant de créer un potentiel d’action. Pour ce faire, on utilise un autre neurotransmetteur appelé GABA. Une fois GABA expulsé dans la synapse, il va s’attacher à son récepteur, logiquement appelé le récepteur GABA. Le récepteur lui aussi va causer un flux d’ions, mais cette fois ils seront négatifs. Généralement, c’est l’ion Cl- qui va entrer dans la cellule. Cela cause une surcharge négative, une hyperpolarisation, qui fait que le neurone aura plus de mal à créer un potentiel d’action [source / source / source].

L’apprentissage et la mémoire: comment être plus efficace.

Les synapses ont aussi un autre rôle très important: celui de créer l’apprentissage et la mémoire. En terme de fonction neuronale, l’apprentissage se traduit par un neurone plus rapide et efficace dans la transmission d’information. Il existe beaucoup de mécanismes liés à l’apprentissage et la mémoire, mais le plus commun est d’augmenter le nombre de récepteurs à la surface du neurone postsynaptique, plus précisément le récepteur AMPA. Quand il y a plus de récepteur AMPA, le neurone va se dépolariser plus rapidement, ce qui créé un potentiel d’action plus rapidement, et l’information se transmet plus vite. Cette forme d’apprentissage et de mémoire s’appelle la potentiation à long-terme (ou LTP), et c’est la base de toute forme de mémoire. Une autre forme de mémoire, appelée dépression à long-terme (ou LTD), enlève les récepteurs AMPA de la surface du neurone postsynaptique, le rendant plus lent [source / source].

On comprend donc comment une information peut aller d’un neurone à l’autre. Mais ensuite? Il est évident que l’information ne va pas voyager d’un neurone à l’autre indéfiniment, mais qu’elle va se rendre quelque part. La semaine prochaine, nous verrons où se rend cette information, et comment elle est utilisée. Plus précisément, nous parlerons de la jonction neuromusculaire, une synapse un peu spéciale capable de convertir un courant électrique en mouvement.

Cell-Cell Communication: The Synapses

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Last week, we explained how a neuron can pick up information, and how this information is transformed into an electric current. Today, we will continue to see how the information travels, this time from one neuron to another, through a structure called the synapse.

The Synaptic structure

Let’s recap what we know from last week. A neuron has received information, and this information was transformed into an action potential thanks to the inflow and outflow of ions. This action potential travels down the neuron to the end, towards the synapse. The synapse is a structure that links two neurons. The neurons who is sending the information, or the presynaptic neuron, is very close to the neuron that will receive the information, or the postsynaptic neurons. this proximity is what allows the information to go from one neuron to another. However, the information will not be transmitted as an electric current; instead, it will become a chemical signal. In the presynaptic neuron, we can find small pockets, called vesicles, that contains molecules called neurotransmitters. We all know some neurotransmitters by name: dopamine and serotonin are examples. The role of a neurotransmitter is to transmit the information to the postsynaptic neuron. To better understand how it works, we will go through two examples: first the excitation of the neuron, then the inhibition of a neuron [source / source / source].

The Excitation of a neuron

In this example, the presynaptic neuron received an information telling him to « activate » the postsynaptic neuron. This is called excitation. The action potential will thus travel down to the synapse, and activate the release of neurotransmitters. It does so by again causing an influx of Ca2+ ions. There are many neurotransmitters that can excite a neuron, but the most common one in the brain is called glutamate. Now, once the vesicles have been opened, a lot of glutamate are found in the junction between the pre- and postsynaptic neuron, ready for action. At the postsynaptic neuron, we can find receptor specific for glutamate. There are two main one, AMPA receptor, and NMDA receptor. The glutamate will bind both, however AMPA receptor will activate first, causing an influx of positive ions inside the postsynaptic neuron. NMDA receptors will then activate, due to both glutamate and the influx of ions inside the cell, causing even more positive ions to enter the cell. In the end, the influx of ions have changed the membrane potential, depolarizing the neuron and creating a new action potential. This action potential will then travel down the neuron to the synapse, starting the cycle again [source / source / source].

The Inhibition of a neuron

Neuronal inhibition works similarly to excitation, but the results are different. Just as the name suggests, the presynaptic neuron will want to inhibit the postsynaptic neuron, preventing it from creating an action potential. To do so, we use another neurotransmitter, GABA. Once the presynaptic neuron has released GABA, it will bind to its receptor, aptly named the GABA receptor, and cause an influx of ions. This time however, it is an influx of negative ions, mainly Cl-. This causes the membrane potential to drastically decrease, causing hyperpolarization. It is then very hard for the postsynaptic neuron to create an action potential [source / source / source].

Learning and memory: How to be more efficient

Synapses also have the crucial role of causing learning and memory in humans. In terms of neuronal function, learning simply means that the neuron will perform its task faster and stronger than the last time it was used. There are many ways to do so, but the main one is to increase the number of receptors at the postsynaptic neuron, particularly AMPA receptors. With more AMPA receptors, the neuron will be depolarized faster, and the action potential will be created faster, making the overall information more rapidly conveyed. This particular form of learning and memory is called long-term potentiation (or LTP), and is the basis for all memory in the body. Another form of memory, called long-term depression (or LTD) actively reduces the amount of AMPA receptors, rendering the neuron slower [source / source].

Now we understand how the information goes from one neuron to another. But now what? Obviously, the information will not go from one neuron to the next indefinitely, there has to be a goal. Next week, we will talk about how the information is used, notably by talking about the neuromuscular junction, a special synapse converting electrical current into movement.

La communication cellulaire: Le cas particulier des neurones

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Aujourd’hui nous allons discuter d’un mécanisme essentiel à la survie des hommes: la communication cellulaire. Les humains, comme tous les organismes multicellulaires, ont développé plusieurs mécanismes qui permettent à nos cellules d’interagir. Les cellules de la peau vont par exemple envoyer pleins de molécules pour prévenir d’un dangers. Les cellules immunitaires quant à elles vont souvent s’accrocher entre elles pour se transmettre des informations par le toucher. Les neurones sont des cas à part, qui est généralement considéré le plus rapide: ils utilisent l’électricité. Dans cet article, nous allons d’abord voir comment fonctionnent les courants électriques dans le cerveau, puis comment l’information à transmettre devient un courant électrique. La semaine prochaine, nous verrons comment ce courant électrique passe d’un neurone à l’autre, et comment ils l’utilisent.

Les ions, ou la base de tout courant

Afin de comprendre l’électricité en général, il est important de connaître le concept d’ion. Les atomes sont faits de trois petites particules: les neutrons (qui n’ont pas de charge électrique), les protons (qui ont une charge électrique positive), et les électrons (qui ont une charge électrique négative). Un atome est constitué du même nombre de protons et d’électrons, ce qui le rend électriquement neutre. Par exemple l’atome de sodium (qu’on not Na) possède 11 protons et 11 électrons, ce qui le rend neutre. Un ion c’est un atome qui possède une charge électrique, souvent parce que le nombre d’électrons est modifié. Dans notre exemple de Na, l’ion Na (noté Na+) possède 11 protons et 10 électrons, ce qui lui donne une charge positive. C’est la circulation des différents ions qui est la base de la communication neuronale. les ions les plus importants sont les ions potassium (K+), les ions calcium (Ca2+, ils perdent deux électrons). et les ions chloride (Cl-, ils gagnent un électron, et sont donc négatifs) [source / source].

L’électricité dans le cerveau

Avant de comprendre la communication neuronale, il est important de comprendre deux concepts en électricité. D’abord, il y a le voltage, ou potentiel, qui est possiblement le plus complexe. Officiellement, on définit le voltage comme étant la quantité électrique nécessaire pour bouger une charge d’un point à l’autre. Plus simplement, le voltage c’est la différence électrique entre deux points. Dans le cas des neurones, on compare l’intérieur du neurone à l’extérieur. L’intérieur du neurone est généralement négatif alors que l’extérieur est positive, ce qui nous donne un voltage de -70 millivolts (ou mV) quand le neurone est au repos. Du coup, pour bouger une charge électrique de l’intérieur à l’extérieur, on aurait besoin d’une grande quantité d’électricité négative. Le deuxième concept est celui de courant. Un courant, ca mesure combien d’électricité se déplace d’un point à l’autre. Si beaucoup d’ions positifs parcourt une distance, le courant sera très positif, et inversement pour les ions négatifs [source / source].

Le concept du potentiel d’action

Quand il n’y a aucune information transmise, les neurones ont un voltage de -70 mV, et un courant net de 0 picoampères (ou pA). On précise que le courant net est nul parce que les ions entrent et sortent de la cellule même au repos. Simplement, pour chaque ion positif qui entre, un ion de la même charge sort, ce qui cause un courant net de 0. L’intérieur et l’extérieur des neurones ont des compositions ioniques très différentes. L’intérieur possède bien plus de K+, alors que l’extérieur est composé de plus de Na+, Ca2+ et Cl-. Quand le neurones est stimulé, il va transformer l’information en potentiel d’action, qui est représenté ci-dessous.

Image venant de Wikipedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Action_potential_schematic.png)

Au numéro 1, le neurone est au repos. Quand il est stimulé, un grand nombre de Na+ va rentrer dans la cellule. Comme on le voit à 2, le nombre est si grand qu’il va changer le voltage, qui devient +40 mV. C’est le principe de la dépolarisation. À 3, les ions Na+ ne peuvent plus rentrer dans la cellule. De plus, le neurone va se débarrasser de beaucoup d’ions K+, qui vont sortir de la cellule. Cela va causer une réduction du voltage vers son voltage de repos. C’est ce qu’on appelle la repolarisation. Cependant, le voltage va descendre encore plus bas que -70 mV. C’est ce qu’on appelle l’hyperpolarisation, et cela empêche le neurone de produire trop de potentiels d’action, parce que ca pourrait le nuire. Enfin, à 4, le neurone est de retour à son potentiel de repos. Les potentiels d’action se ressemblent tous, et vont traverser tout le neurone jusqu’à une structure à la fin du neurone qu’on appelle la synapse [source / source / source / source].

La communication neuronale est complexe, mais possède beaucoup d’avantages, notamment la rapidité. Aujourd’hui nous avons seulement vu comment l’information est transformé en courant électrique. La semaine prochaine, nous verrons comment ce potentiel d’action se déplace d’un neurone à l’autre, notamment grâce aux synapses. On verra également comment le neurone est capable d’interpréter cette information, et ce qu’il en fait vraiment.

Cell-cell Communication: The Unique Case of Neuronal Connectivity

Le par julienforsciencedans NeuroscienceLaisser un commentaire

Today we will discuss an essential mechanism: cell to cell communication. Cell communication is very important for the survival of the organism. Humans, like most multicellular organisms, have developed many ways for cells interact with each other. Some, like skin cells, use chemicals to warn cells of potential dangers. Others, such as immune cells, will touch each other to transmit information. Neurons have a unique way of communication, which is arguably the fastest. They use electric currents. In this article, we will first talk about electric currents in the brain, to then understand what the current looks like in a neuron. Next week, we will see how neurons transmit this information and what they do with it.

Ions: The Basis of all currents

To understand electric currents of any kind, we need to establish what an ion is. Atoms are made of very small particles: neutrons (which have no electrical charge), proton (which have positive charges), and electrons ( which have negative charges). An atom has the exact same number of proton and electron, which creates an overall neutral charge. As an example the sodium atom (abbreviated Na), has 11 protons, an 11 electrons, so the electric charges cancel each other. An ion is an atom with an electric charge, usually do to a loss or gain of electrons. In the case of Na, the ion is abbreviated Na+, because it lost one electron, and thus it is now positive. The flow of ions in neurons is the key for its communication. The most important ions are Na+, the potassium ions (K+), the calcium ions (Ca2+, as calcium ions lost two electrons), and chloride ions (Cl-, having gained an electron, and thus is negative) [source / source].

The Basics of Electricity in the Brain

Before explaining how neurons communicate, there are two key concepts to understand. The first one, voltage, is the most complex. Officially, we define voltage as the amount of « work » is required to move a charge from one point to another. In simpler terms, a voltage (also called potential), is the amount of electrical « difference » between to points. For our neurons, the voltage will compare the inside of the cell to the outside. The inside of the cell is very negative, while the outside is very positive, and the overall voltage of the cell (which we call resting membrane potential) is -70 millivolts (mV). It means that overall, neurons are heavily negatively charged. The second important concept is current. A current quantifies how much electricity travels from one point to another. The more positive ions travel, the more positive the current will be and vice-versa [source / source].

The Concept of Action Potentials

Now we will discuss how neurons communicate. When no information is transmitted, neurons have a voltage of -70 mV and a net current of 0 picoamperes (pA). We say net current because even though the overall current is 0, ions are still flowing in and out of the cell, but for any positive ions that leave, the same amount enters, creating a net current of 0 pA. Further, the inside and outside of the cell have different amount of ions. The inside of the cell has a lot more K+ ions, while the outside has more Ca2+, Cl-, and Na+. Due to this, K+ ions have the tendency to leave the cells, while the other will want to enter it. However at a resting state, only minimal amount of each ions will enter or leave the neuron. However, when the neuron is stimulated, it will create an action potential, which looks like this:

Image from Wikipedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Action_potential_schematic.png)

Let’s go through the numbers: 1 is the resting state, where the voltage is the same. The neuron is then stimulated, and at 2, a large amount of Na+ enters the cell. The number of ions is so big that it changes the neuron’s voltage to about +40 mV. This is called depolarization. At 3, Na+ are unable to enter the neurons. Furthermore, the neuron will make a huge amount of K+ ions to leave the cell, to make the cell back to its resting potential (this is called repolarization). It goes even lower than that, to prevent another action potential to be created right away. This is called hyperpolarization, and it is important to prevent neurons to be to excited. At 4, the cell is back to normal. Action potentials are always the same, and they then travel down the neuron to the end, a place called a synapse [source / source / source / source].

Neuronal communication is complex, but it has so many advantages, the main one being speed. However, today we only saw how the information is created. Next week, we will see how the action potential goes from one neuron to another. We will also see how a neuron really interprets this information.

Décanteur à maladies: La maladie d’Huntington

Le par julienforsciencedans Decanting Disease / Décanteur à maladiesLaisser un commentaire

Aujourd’hui, nous continuons notre série sur la compréhension des maladies. Cette fois-ci, nous nous pencherons sur la maladie d’Huntington, aussi appelée HD. HD fait partie du groupe de maladie neurodégénératives, mais c’est aussi une maladie qu’on ne connaît pas beaucoup. C’est pourquoi aujourd’hui je vais aussi présenter certaines hypothèses qui essayent d’expliquer comment cette maladie se développe.

Les symptômes de HD sont classés en trois groupes. D’abord, il y a les symptômes moteurs, le principal étant la chorée, qui s’observe par des mouvements involontaires, notamment des yeux et des bras. Les personnes atteintes de HD auront aussi du mal à parler et à marcher, ainsi qu’une perte de la coordination. Ensuite, il y a les symptômes cognitifs. Le principal inclut la perte de mémoire, et la difficulté de concentration. Certains patients ont également un changement drastique de personnalité. Enfin, il y a les symptômes émotionnels, qui incluent la dépression, l’anxiété, et l’irritabilité. Comme la plupart des maladies neurodégénératives, les symptômes de HD apparaissent vers l’age de 60 ans. HD est difficile à diagnostiquer avant l’apparition des symptômes, mais des changements drastiques et anormaux d’humeurs pourraient indiquer HD. La méthode la plus fiable de diagnostique reste le test ADN. Malheureusement, il n’y a aucun remède contre la maladie. Certains médicaments peuvent aider avec les symptômes, comme l’halopéridol pour la chorée, mais rien ne peut empêcher la maladie de se développer [source / source / source].

Comme mentionné ci-haut, HD fait partie des maladies neurodégénératives. Cela veut simplement dire que la maladie touche le fonctionnement des neurones, ce qui induit la perte de ceux-ci. Initialement, la mort des neurones est restreinte à une petite partie du cerveau, mais avec le temps la totalité du cerveau est touchée. Il y a beaucoup de maladies neurodégénératives, comme Alzheimer, Parkinson, ou Creuzfeldt-Jacob (plus connu comme la maladie de la vache folle). La perte de neurones peut être causée par de nombreuses choses, mais dans le cas de HD, cela à l’air d’être lié à une protéine appelée huntingtin (HTT). Cette protéine reste un mystère de nos jours, puisque nous ne savons toujours pas sa fonction exacte. On sait que cette protéine est essentielle au développement, puisque si on l’enlève d’un embryon, celui-ci ne survit pas. On sait aussi que la protéine est essentielle à la survie des neurones, puisque réduire le nombre de HTT dans le cerveau augmente la perte de neurones. Mais on ne sait toujours pas son rôle dans la vie de tous les jours. Par contre, les personnes atteintes de HD on une forme de HTT anormalement grande, appelée huntingtin mutante (HTTm). Quand le gène de HTT est traduit, il y a une partie qui est traduite plusieurs fois. Cette partie est appelée une répétition CAG. Chez les personnes en santé, HTT a quelques répétitions CAG, mais les personnes avec HD ont plus de 40 répétitions CAG, ce qui cause la maladie. Avec tant de répétitions, la protéine n’est plus capable de fonctionner correctement. Pire encore, il est possible qu’elle développe de nouvelles fonctions qui pourrait accélérer la mort des neurones [source / source / source / source].

C’est important de comprendre que même si on sait que HTTm est à l’origine de HD, on ne sait toujours pas comment la maladie se développe, et qu’est ce qui est la cause de la mort des neurones. Il y a plusieurs hypothèses qui tentent d’expliquer cela, et aujourd’hui je vais en présenter trois.

Première hypothèse: repliement de HTTm erroné et agrégation

Pour comprendre cette hypothèse, il faut d’abord connaître le repliement des protéines. Quand une protéine est formée, elle est d’abord juste une ligne simple, mais très vite elle doit se replier dans une configuration très spécifique pour être capable de fonctionner. Il arrive des fois qu’une protéine ne se plie pas correctement. Dans ces cas-là, la protéine est détruite. Puisque HTTm est très différente de HTT, la protéine ne va pas se plier correctement. Pourtant, pour des raisons encore inconnue, le neurone n’est pas capable de détruire mHTT, du coup, les protéines vont s’agréger. Cette théorie existe dans le cas de presque toutes les maladies neurodégénératives, et pour presque toutes ces maladies, l’agrégation cause la perte des neurones. Mais dans le cas de HD, c’est différent. Bien que l’on observe l’agrégation de HTTm chez les patients, cela ne cause pas la mort du neurone. Il est possible que l’agrégation en elle-même n’est pas la cause de la mort des neurones, mais d’une façon inconnue, cela empêche le neurone de détruire les protéines repliées incorrectement. Du coup, le neurone entre dans une phase de stress qui peut causer sa mort. Cette théorie est logique mais pas encore prouvée [source / source].

Deuxième hypothèse: le dysfonctionnement des mitochondries

Les mitochondries sont des organelles que l’on trouve dans presque toutes les cellules du corps. Son rôle est essentiel: elles produisent l’énergie pour la cellule, appelé ATP. L’ATP est utilisé pour le fonctionnement des protéines et d’autre mécanismes cellulaires. En cas de HD, les mitochondries ont des problèmes. D’abord, elle produisent beaucoup moins d’ATP, ce qui cause une production anormale de dérivés réactifs de l’oxygène (DRO). Les DRO sont des produits qui sont extrêmement toxiques pour les cellules. Les personnes atteintes de HD ainsi que les modèles animalier de HD ont plus de DRO dans leur organismes, et des marques de dommages causés par les DRO. Malheureusement, nous ne savons pas si les mitochondries sont la cause de la maladies, ou simplement une conséquence [source / source / source].

Troisième hypothèse: l’excitotoxicité

Cette hypothèse est plus complexe, mais le principe est simple: les neurones atteints de HD pourraient être excités à mort. L’excitation neuronale est la base du fonctionnement cérébral, et cela utilise des protéines appelés neurotransmetteurs. Quand un neurone entre en contact avec un neurotransmetteur, il va ouvrir sa membrane et des ions vont entrer. Les ions ayant une charge électriques, ils vont changer la cellule. Par exemple, quand le neurotransmetteur glutamate entre en contact avec un neurone, celui-ci va ouvrir sa membrane et plusieurs ions positifs vont entrer. Du coup, la cellule va devenir plus positive, ou excitée. Mais si trop d’ions entrent dans la cellule, ça peut devenir dangereux, surtout si c’est des ions calcium. Dans la cellule, il y a très peu d’ions calcium car ils sont utilisés pour activer certaines protéines. Si trop d’ions calcium entrent dans la cellule, ces protéines vont s’activer, ce qui va causer des dommages à la cellule, voire sa mort. C’est ça l’excitotoxicité. En général, on pense que c’est dû à soit trop de glutamate présent, soit un problème avec son récepteur. Dans le cas de HD, on pense que c’est l’un des récepteurs à glutamate, appelé NMDA, qui a un problème, ce qui induit l’entrée de trop d’ions calcium, et une mort par excitotoxicité. Malheureusement, bien qu’on observe des problèmes avec le récepteur NMDA, il reste encore à prouver que l’excitotoxicité est un problème chez les personnes atteintes de HD [source / source / source].

On voit donc que HD est une maladie très complexe, mais c’est aussi une maladie très mystérieuse. Même si on connaît beaucoup de choses dessus, il manque des composants clés qui nous permettrait de tout mettre ensemble. Par exemple, c’est probable que les trois hypothèses présentées soient vraies, mais quelle en est la cause? Quelle composant est à la racine de tout ? C’est pour ça qu’on continue d’étudier cette maladie, car mieux la comprendre nous permettrait de mieux la traiter.

Decanting Diseases: Huntington’s Disease

Le par julienforsciencedans Decanting Disease / Décanteur à maladiesLaisser un commentaire

Today, we will once again talk about another disease. This time, we will focus on Huntington’s disease (or HD). HD is part of the neurodegenerative diseases and today, we will try to understand it and review some hypotheses that explain the disease development.

The symptoms of HD are classified in three groups. First, there are motor symptoms. The biggest one is called chorea, which means that the person will have a lot of involuntary movements. People with HD also have difficulty walking and talking, and have reduced coordination. There are also cognitive symptoms, the main one being increased memory loss, and loss of focus. It can even lead to personality changes. Lastly, there are more emotional symptoms, including anxiety, depression, and irritability. Like most neurodegenerative diseases, HD is a late-onset disease, meaning that symptoms appear quite late in the life of the patient, usually around 60 years old. This disease is very hard to diagnose before the symptoms appear, but early changes in personality such as abnormal mood swings could be a sign of HD, however the only accurate way to diagnose it is a DNA test. Unfortunately, there is no cure for the disease. There are medications to help reduce the symptom severity, such as haloperidol for the chorea, but to this date, nothing can stop the course of the disease [source / source / source].

As I just mentioned, HD is part of a group of disease called neurodegenerative diseases. This means that there is an impairment in neuronal function, which leads to loss of neurons over time. The loss of neurons is initially restricted to one area of the brain, but over time the entire brain is affected. There are many diseases that are neurodegenerative, including Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and Creuzfeldt-Jacob disease (also known as the mad cow disease). Many things can cause the loss of neurons, but in the case of HD, it seems to be linked to a protein called huntingtin (HTT). This protein is still to this day a mystery, as we have no clear idea of its function. We know that it is an essential protein for development, since removing it in mice embryo causes its death. It is also important for neuronal survival, as reducing amount of HTT increases neuronal death. Other than that, its actual functions are unknown. We however know what it becomes during HD. People with HD get an overly large version of this protein, called the mutant huntingtin (or mHTT). The gene for the HTT protein contains a piece that can be repeated. In the HTT protein, this part is called a CAG repeat. When the gene is translated, this part of the gene is read multiple times, causing the protein to have multiple CAG repeats. This is happening in everyone and is harmless unless the amount of CAG repeats exceeds 40, then the person is diagnosed with HD. This is because with that many repeats, the protein is unable to function properly. Worse, it may develop new functions that accelerates neuronal death [source / source / source / source].

It is important to understand that while we know that the disease stems from mHTT, we still don’t know how the disease develops and what leads to neuronal death. There are many hypotheses however, and today I will explain three of them.

Hypothesis 1: mHTT aggregate and misfolding

To understand this hypothesis, it is important to know protein folding. when protein are created from gene translation, they are first just a line. However, the protein doesn’t stay a line and very quickly folds into a very specific configuration in order to perform its function. It happens however, that protein misfolds. In that case, the cell will get rid of it, since a misfolded protein can lead to many problems. Since mHTT is very different from HTT, the protein misfolds. However, for reasons still unknown, the neurons are unable to remove the protein, which leads to aggregation of misfolded protein. This theory is true to almost all neurodegenerative disease. However, in the case of HD, it is more controversial. While we do observe protein aggregates in both patients and animal models of HD, there is little link between the aggregation and neuronal death. It is likely that the aggregation isn’t causing neuronal cell death, but it somehow removes the ability to get rid of misfolded protein. And without this mechanism, the cell becomes stressed, which promotes its death. This however is just a hypothesis that was not proven [source / source].

Hypothesis 2: Mitochondrial dysfunction

Mitochondria are organelles found in most cells and provide essential roles for the cells. Many of us have heard it being called the powerhouse of the cell, and that’s because it creates the energy essential for cell function: ATP. ATP is used for most protein function, as well as any other cell mechanisms, and it is thanks to the mitochondria that we have it. However, in the case of HD, the mitochondria does not work as well as it should. Two mechanisms happen in neurons: first, the production of ATP is greatly decreased. this may lead to an increase of production of reactive oxygen species (ROS). ROS are products that are extremely toxic to the cell. Both patients and animal models have increased ROS, as well as signs of ROS-induced damages. However, we do not know if mitochondrial dysfunction is a cause or a consequence of HD [source / source / source].

Hypothesis 3: Excitotoxicity

This hypothesis is a bit more complex, but in short, neurons in HD may be excited to death. Neuronal excitation is the basis of brain function, and it is done thanks to proteins called neurotransmitters. Once a neuron comes into contact with specific neurotransmitters, it will open its membrane and a bunch of ions will enter. Ions have an electrical charge, and if a lot of positive ions enter, then the cell becomes more positive, or excited. However, too much of ions can be dangerous, especially if it is a calcium ion. Calcium ions are in extremely low amount in the cell, because it is also used to activate proteins. Now if a lot of calcium enters the cell, then some protein may be activated, which will lead to cell damage, and eventually cell death. This is excitotoxicity. In general, it is due to the neurotransmitter glutamate being too present, or its receptors having problems. In the case of HD, we hypothesized that there is a problem in one of glutamate’s receptor, called NMDA, and this leads to too much calcium entering the cell, leading to cell death via excitotoxicity. This hypothesis is however not proven yet [source / source / source].

We can see that HD is a very complex disease, but also a very mysterious one. While we know a lot about it, we are still missing key components in order to fit everything together. It is likely that every hypotheses that were shown are actually happening in HD patients, but what is the root of everything? What component is the cause for everything? This is why we continue to actively research this disease, because understanding it will help cure it.