Pourquoi les vers nématodes pourraient détenir la clé du vieillissement

Il est facile de penser qu'un jeune cœur en bonne santé devrait battre plus régulièrement qu'un vieux cœur. Pas si. De nombreuses études ont montré que la variabilité de la fréquence cardiaque est un bon indicateur de la santé cardiaque et que les cœurs plus âgés et plus malades ont tendance à montrer moins de variabilité, pas plus.

La variabilité est dans le temps entre les battements. Le traçage de ce changement dans le temps montre une tendance claire. Chez les malades, le battement est plus régulier. Mais chez les personnes en bonne santé, de petits changements sont très courants et de grands changements se produisent également, quoique moins souvent.

Ce modèle est important. Les mathématiciens l'appellent une distribution à queue lourde ou loi de puissance, et elle présente des caractéristiques importantes. Le plus surprenant est peut-être l'invariance d'échelle. Aussi près que vous étudiez une telle intrigue, elle a toujours la même apparence. Ainsi, les variations qui se produisent à une échelle sont exactement les mêmes que les variations à une autre échelle.

Les schémas de déplacement des vers nématodes peuvent désormais être surveillés par des systèmes de vision artificielle, une technologie qui révolutionne l'étude du comportement des vers.

Ce schéma est différent pour les personnes âgées au cœur plus fragile. Et ce n'est pas seulement le rythme cardiaque qui varie de cette façon. Les modèles de pointes neurales et les modèles de démarche humaine varient également de la même manière avec l'âge. Et cela suggère une nouvelle façon d'étudier le vieillissement en comprenant mieux le rôle que joue l'invariance d'échelle dans les processus biologiques.

Il y a cependant un problème. Les humains sont difficiles à étudier à cet égard. Le processus de vieillissement prend des décennies et les humains sont difficiles à surveiller sur ces échelles de temps.

Les chercheurs aimeraient donc beaucoup étudier la nature de l'invariance d'échelle dans des organismes moins complexes et plus faciles à entretenir. Mais l'existence de ces modèles dans les formes de vie inférieures n'a pas encore été établie.

Entrez Luiz Alves de l'Université Northwestern dans l'Illinois et quelques amis, qui ont trouvé des preuves de modèles invariants d'échelle dans le comportement des vers nématodes. De plus, ces gars-là disent que les modèles changent à mesure que les vers vieillissent et que cela fournit une nouvelle façon puissante d'étudier les processus et mécanismes biologiques derrière le vieillissement.

Tout d'abord, un peu de contexte. L'invariance d'échelle est la notion selon laquelle certaines choses se ressemblent quelle que soit l'échelle à laquelle elles sont vues.

Beaucoup de choses ont cette propriété. Un littoral est invariant à l'échelle ou fractal - il semble tout aussi irrégulier qu'il soit examiné à l'échelle des centimètres, des mètres ou des kilomètres. Une ligne droite infinie est invariante à l'échelle - il n'y a aucun moyen de savoir à quelle distance vous vous trouvez d'une telle ligne simplement en la regardant.

En revanche, les rectangles, les voitures et les galaxies ne sont pas invariants à l'échelle. Ces objets ont un aspect complètement différent selon leur distance.

L'invariance d'échelle n'est pas seulement limitée aux objets. Ces dernières années, les physiciens ont également découvert de nombreux phénomènes invariants à l'échelle. Par exemple, les incendies de forêt sont invariants à l'échelle. Il y a beaucoup de petits incendies de forêt et quelques grands incendies de forêt, mais la relation entre la taille et la fréquence est invariante à l'échelle.

Étudiez un graphique de la taille des incendies par rapport à leur fréquence et il n'y a aucun moyen de faire la distinction entre les grands et les petits - ils suivent tous le même schéma. Et cela implique qu'il y a une manière importante dans laquelle les incendies de forêt sont tous les mêmes.

Les physiciens pensent que cette similitude est fondée sur la façon dont les incendies se propagent à travers le réseau de liens entre les arbres. Un incendie ne peut se propager que lorsque ces liaisons sont en place. Mais le réseau change constamment à mesure que les arbres poussent et meurent.

Et cela signifie qu'il n'y a aucun moyen de savoir quelle sera l'ampleur d'un incendie lorsqu'il commencera - la taille dépend de la nature du réseau à cet instant.

Cela a de grandes implications pour notre compréhension de la cause et de l'effet. Les incendies de forêt peuvent être déclenchés par une cigarette perdue ou une allumette négligemment jetée. Mais leur taille éventuelle n'a rien à voir avec ce déclencheur. Cela dépend du réseau. En effet, l'invariance d'échelle dans les phénomènes complexes est intimement liée à la science des réseaux.

Prenez la taille des tremblements de terre, qui est également invariante à l'échelle. Le réseau pertinent ici est la façon dont les forces sont transmises à travers les roches - c'est ce qui détermine la taille finale du tremblement de terre.

Les guerres sont également invariantes à l'échelle (mesurées par le nombre de morts). Ici, le réseau pertinent est la manière dont les influences sociales, militaires et politiques se sont propagées dans une région. Cela change constamment pour une myriade de raisons. Cela implique que quiconque déclenche une guerre ne peut, en principe, savoir quelle sera son ampleur. Et l'incident déclencheur n'est pas plus important pour déterminer le nombre éventuel de décès que la taille de l'allumette qui déclenche un incendie de forêt ne détermine jusqu'où il se propage.

Mais quel est le réseau pertinent qui conduit à l'invariance d'échelle dans les systèmes biologiques ? Personne n'en est tout à fait sûr, c'est pourquoi la capacité de l'étudier dans les vers nématodes pourrait être si importante.

Les nouvelles expériences démontrant l'invariance d'échelle sont simples. Alves et co commencent avec des vers nématodes standards, Caenorhabditis elegans , tous nés le même jour et élevés dans des conditions identiques en laboratoire.

L'équipe a ensuite utilisé un système de vision artificielle pour suivre le mouvement de 10 à 15 de ces vers dans un espace clos à 20 °C. Ils ont répété ces observations au fur et à mesure que les vers vieillissaient pendant six jours et que la température augmentait pour simuler le stress.

C. elegans vivent généralement environ deux à trois semaines, de sorte que les six jours de l'expérience équivalent à l'observation d'un âge humain allant de l'adolescence à l'âge mûr. Nos comparaisons sont effectuées pour l'équivalent humain d'un jeune de 15 ans et d'un jeune de 40 ans, disons Alves et co.

Les résultats rendent la lecture intéressante. Les vers nématodes ne se déplacent pas en lignes droites simples et ne se déplacent pas tous de la même manière, malgré leur élevage identique. Au lieu de cela, ils se déplacent, puis s'arrêtent, puis reculent, parcourent de plus longues distances, etc.

Ce modèle est similaire à une marche aléatoire, ou à un vol Levy, et est bien connu des comportementalistes animaliers. Il se compose de nombreux trajets courts et d'un nombre beaucoup plus restreint de traversées plus longues. De nombreux animaux suivent ce schéma lorsqu'ils recherchent de la nourriture.

Fondamentalement, la longueur du trajet tracée en fonction de la fréquence est invariante à l'échelle ou fractale, tout comme les côtes, la taille des incendies de forêt, les guerres et la variation du rythme cardiaque humain.

De plus, Alves et co disent que cette invariance d'échelle change de manière mesurable à mesure que les vers vieillissent ou subissent plus de stress. Ces changements sont le résultat de nombreux facteurs tels que la ponte, la recherche d'un partenaire, la recherche de nourriture, etc.

Mais l'essentiel est qu'ils changent avec le temps ou avec le stress de manière mesurable. Nous trouvons des différences statistiquement significatives dans le comportement fractal de la motilité des C. elegans pour différents âges et niveaux de stress, de la même manière que ce qui a été rapporté pour la physiologie humaine, disent Alves et co. Nos résultats suggèrent que la similitude avec le processus de vieillissement humain est plus profonde qu'on ne le pensait auparavant.

C'est une conclusion intéressante qui ouvre la voie à une nouvelle ligne d'attaque dans l'étude du vieillissement. Nous croyons cela C. elegans peut être utilisé pour étudier comment la dynamique fractale est créée par les processus de régulation des systèmes physiologiques et fournir des informations sur les processus fondamentaux nécessaires pour maintenir une physiologie saine malgré le vieillissement et le stress, expliquent l'équipe.

C. elegans est particulièrement adapté à ce genre de travail comme l'une des créatures les mieux étudiées sur Terre. Il a une structure corporelle simple avec 302 neurones et un génome bien caractérisé de 100 mégabases. En comparaison, le génome humain compte environ 3,6 gigabases. Mais curieusement, 40 % des gènes de nématodes sont homologues à ceux de l'homme.

Cela ouvre la voie à des recherches intéressantes. Alves and co se sont fixé un objectif ambitieux avec un objectif louable. Nous attendons avec impatience de suivre les progrès.

Réf : arxiv.org/abs/1705.03318 : Corrélations à longue portée et dynamique fractale chez C. Elegans : changements avec le vieillissement et le stress

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