Le projet de recherche Imacervorepro, imagerie du cerveau et reproduction, initié en 2015, s’achève en juin 2018. Il avait pour objectif de mettre en évidence les modifications structurales et fonctionnelles de régions du système nerveux central impliquées dans les comportements de reproduction. Les premiers résultats permettent de prédire certains comportements grâce à l’étude non invasive de la plasticité cérébrale par IRM. 

Entretien avec Matthieu Keller, directeur de recherche CNRS dans l’unité mixte Physiologie de la reproduction et des comportements (UMR PRC, Inra, CNRS, IFCE, Université de Tours), centre Inra Val de Loire.

Pourquoi ce projet a-t-il été initié ?

Ce projet résulte d’un appel d’offres Initiative académique du Conseil régional Centre-Val de Loire. Nous sommes plusieurs équipes dans l’unité PRC à travailler sur la plasticité du cerveau au cours de différents évènements de la vie reproductive des animaux tels que le comportement sexuel, la gestation, la mise bas, l’expression du comportement maternel…. Ces approches ont souvent été réalisées de manière cellulaire en posant une hypothèse assez précise sur une ou quelques structures cérébrales. Le défaut de cette approche est que l’on peut passer à côté de beaucoup d’informations dans des structures existantes à côté de celles visées. C’est pourquoi nous avons décidé de nous intéresser au cerveau dans son ensemble en utilisant une approche IRM.

Quels ont été vos outils pour mesurer cette plasticité cérébrale ?

Depuis plus de cinq ans nous disposons sur Nouzilly, d’un IRM clinique 3 Teslas pour gros animaux de la plateforme CIRE. Cette thématique de la plasticité du cerveau reproducteur au cours du cycle se prête bien aux approches IRM, car l’outil permet d’enregistrer dans un temps donné, l’activité du cerveau dans sa globalité. C’est également une méthode non invasive qui permet de faire un suivi longitudinal des animaux permettant de comparer deux groupes à deux temps donnés dans différentes conditions. Nous avons par ailleurs utilisé l’IRM expérimental du centre de biophysique moléculaire (CBM) du CNRS à Orléans qui possède des caractéristiques particulières adaptées aux petits animaux (souris).

Quels animaux avez-vous observés ?

Nous avons choisi d’observer comparativement des souris femelles et des brebis qui n’ont jamais mis bas et de suivre les phénomènes de plasticité et l’expression du comportement maternel, jusqu’à la mise-bas voire après le sevrage. Nous avons suivi les souris jusqu’au sevrage car avec un cerveau plus petit, la taille des images est limitée et réduit les contraintes de calculs scientifiques et donc le temps d’analyse.

Pourquoi suivre ces deux espèces ?

Parce qu’elles sont complémentaires en bien des termes : la brebis est un gyrencéphale c’est-à-dire que le cortex possède des sillons et des gyri alors que les rongeurs sont lissencéphales avec un cortex lisse. Sur le plan physiologique la brebis est saisonnée avec une période de reproduction quand les jours sont courts alors que les souris de laboratoire se reproduisent de manière stable tout au long de l’année. Il existe aussi une différence de comportement maternel : au cours de la gestation les brebis portent un ou deux petits alors que chez les rongeurs les portées sont beaucoup plus larges, de fait la brebis montre une reconnaissance individuelle du jeune mais pas les rongeurs. Nous avons réalisé un suivi jusqu’à l’allaitement dans les deux modèles et au sevrage pour les souris.

Quels outils avez-vous utilisés pour étudier la plasticité cérébrale ?

Nous avons utilisé pour la première fois une approche que l’on appelle la vbm pour voxel-based morphometry (morphométrie au niveau du voxel). La morphométrie est ici l'analyse mathématique et statistique des changements de densité au sein de chaque voxel. Le voxel est un pixel mais en 3D. Ce que l’on observe avec cette mesure ce sont des changements de densité dans le cerveau, changements qui interviennent suite aux modifications physiologiques. Il peut y avoir plus ou moins de matière, qui peut être tout autant des neurones en croissance, des vaisseaux sanguins en cours de formation… ce qui reste difficile encore à déterminer.

Toutes ces approches sont aujourd’hui également possibles chez la brebis, parce que nous avons passé plusieurs années à développer un modèle de cerveau « moyen » c’est-à-dire une modélisation tridimensionnelle de cerveau réalisée à partir de l’imagerie d’un nombre important d’animaux. Ensuite, il faut y associer des cartes de probabilité qui donnent la probabilité pour chaque voxel qu’il appartienne à de la matière blanche, de la matière grise, ou du liquide céphalorachidien et le troisième élément que nous avons mis au point est un atlas des zones du cerveau. Cet ensemble a nécessité de grandes capacités de calcul sur une durée de plusieurs mois.

Les études actuelles faites par d’autres équipes au niveau cellulaire sont difficiles à extrapoler au niveau du cerveau entier ?

Oui, les observations moléculaires sont très précises mais très localisées au niveau de régions cérébrales généralement de petite taille. Les régions qui nous intéressent sont celles qui contrôlent la fonction de reproduction et ce sont de toutes petites régions du cerveau. Grâce à la morphométrie nous observons une activité de l’hypothalamus, zone qui est couramment associée à la fonction reproduction. On observe également des changements de plasticité dans d’autres régions du cerveau comme les structures olfactives qui participent dans la période post-partum à la reconnaissance du jeune.

Comment s’est construite l’expérience ?

Pour chaque espèce nous avons constitué deux groupes : des femelles qui restent vierges et qui sont imagées en même temps que des femelles qui deviennent gestantes, mettent bas et s’occupent de leurs jeunes. Chez les rongeurs nous avons également observé jusqu’au sevrage et au post sevrage. A chaque étape nous avons comparé les deux groupes au même âge ce qui permet d’écarter les variations dues à l’âge ou à la saison. L’objectif était d’obtenir une cartographie de l’évolution de la plasticité cérébrale au cours de la gestation et au cours de la période post-partum.

Quels ont été les résultats ?

Le programme expérimental touche à sa fin, l’analyse est complète chez les rongeurs, pas tout à fait chez la brebis, car les deux modèles sont à un stade différent de résultats ; une souris pèse 25 à 30 grammes, une brebis 60 kilos. Les tailles des cerveaux sont également différentes et génèrent des images de poids très différents. Nous avons des images qui montrent qu’un réseau de structures cérébrales se met en place, au cours de la gestation et à la parturition puis qu’il décline au cours de la lactation et en se rapprochant du sevrage. C’est un aspect dynamique que l’on n'avait jamais observé jusqu’à présent.

Vous visualisez donc une courbe d’évolution en fonction des évènements de la vie reproductive de l’animal ?

Oui une courbe en cloche. Nous avons suivi les variations de volume des structures cérébrales, ce sont des zones qui sont de plus en plus sollicitées au cours des différentes phases de la reproduction, elles apparaissent progressivement plus denses et peuvent parfois s’étendre. L’avantage d’observer ce suivi, c’est que l’on peut être prédictif : ces variations de densité d’activité au niveau du cerveau ont été repérées avant la mise bas et corrélées avec la qualité du comportement maternel. Cela veut dire que le niveau de comportement maternel d’une femelle peut être prédit avant même la mise-bas sur la base des changements de plasticité au sein de certaines régions cérébrales. 

A/ Visualisation de l'augmentation de densité de matière grise dans le cerveau de souris lactantes et maternelles.

Amyg: amygdale ; DG : gyrus denté de l'hippocampe ; Enth: cortex entorhinal ; PVN: noyau paraventriculaire de l'hypothalamus.

B/ Evolution de la densité de matière grise chez la souris au cours du cycle reproducteur (parous) ou chez des femelles contrôles (non gestantes).

Base: femelles vierges ; EG: début de gestation ; LG: fin de gestation ; EL: début de la période post-partum et de l'expression du comportement maternel ; LL: fin de la période post-partum et de l'expression du comportement maternel ; W: sevrage.                                               

©Inra  Matthieu Keller et Inra David Barrière

Est-ce que ce projet présente des finalités en élevage ?

Nous savons que chez les brebis primipares (dont c’est la première mise-bas) certaines ont des problèmes de comportement maternel. Elles sont moins attirées par leurs agneaux, s’en occupent moins bien, allaitent moins. Or, nous savons qu’avec l’expérience maternelle ces femelles-là se comportent mieux après la naissance suivante. Nous n’avons pas pour l’instant imagé de femelles au comportement maternel déficient mais nous savons désormais quelles zones s’activent dans le cerveau et dans quel ordre elles s’activent chez la femelle « normale ». Cela pourrait nous permettre par la suite de comprendre quels seraient les déficits neurobiologiques chez des femelles perturbées. 

Partenaires : 

Centre de Biophysique Moléculaire - UPR 4301

Equipe Complexes métalliques et IRM : http://cbm.cnrs-orleans.fr/spip.php?article7131

Pour en savoir plus :

http://www.phase.inra.fr/Toutes-les-actualites/Des-outils-d-IRM-pour-etudier-le-systeme-nerveux-des-ovins

Visuel d'entrée de l'article :

Image Projection 3D

Modélisation 3D montrant l'augmentation de densité de matière grise dans le cerveau d'une souris en lactation (zones rouges et orangées dans différents plans de coupes antéro-postérieurs du même cerveau). 

©Inra Matthieu Keller et David Barrière