Les cellules coopèrent et prennent des décisions collectives grâce à la « bioélectricité »

• Le processus par lequel les cellules des tissus épithéliaux expulsent les cellules anormales via des signaux électriques a été mis en évidence
• Des changements du potentiel de membrane cellulaire servent de point de départ à l’extrusion cellulaire, en identifiant les cellules faibles ou en manque d’énergie
• Les cellules saines rétablissent le déséquilibre de potentiel, mais les cellules endommagées n’y parviennent pas et sont contractées puis poussées hors du tissu
• Ces flux de bioélectricité jouent un rôle clé dans le maintien de la santé des tissus et la régulation de leur croissance
• Les chercheurs soulignent que la bioélectricité est un mécanisme fondamental d’échange d’informations dans l’ensemble des tissus vivants, au-delà du système nerveux

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Bioélectricité et communication entre cellules

• Des recherches récentes ont confirmé que les tissus épithéliaux utilisent des signaux électriques pour expulser les cellules anormales
  • Ce processus est important pour préserver la santé des tissus et prévenir des maladies comme le cancer ou l’asthme
  • Le flux électrique joue le rôle d’un « contrôle de santé » des cellules
• Plus les cellules sont denses, plus le courant traversant leur membrane augmente, et les cellules faibles échouent à maintenir leur potentiel
  • L’eau s’échappe alors de la cellule, qui se contracte avant d’être éliminée du tissu
• Le chercheur GuangJun Zhang estime que cette découverte montre que les signaux bioélectriques sont essentiels à la prise de décision au niveau cellulaire

Principes fondamentaux de la bioélectricité

• Toutes les cellules dépensent de l’énergie pour maintenir leur potentiel de membrane (membrane potential)
  • Il s’agit d’une différence de potentiel créée par l’écart de concentration en ions de part et d’autre de la membrane cellulaire, une forme de stockage d’énergie électrique
• Grâce aux canaux ioniques et aux pompes, les cellules régulent le déplacement des charges, ce qui leur permet de générer des signaux électriques
• Les neurones utilisent ce potentiel pour provoquer la libération de neurotransmetteurs et des pics de potentiel, afin de transmettre l’information
  • La contraction musculaire et le battement cardiaque commencent eux aussi par de tels signaux électriques

Mécanisme d’extrusion électrique des cellules épithéliales

• Les tissus épithéliaux utilisent environ 25 % de leur énergie pour maintenir le potentiel de membrane cellulaire
• L’équipe de recherche de Jody Rosenblatt a observé que lorsque les cellules deviennent trop denses, certaines se contractent puis sont poussées hors du tissu
  • Le changement de potentiel marque le point de départ de l’extrusion, et les canaux potassiques voltage-dépendants jouent un rôle clé
• Les cellules saines activent des pompes pour rétablir leur potentiel, mais les cellules endommagées ne parviennent pas à le maintenir et sont expulsées après contraction
  • La pression entre les cellules provoque des changements de potentiel, ce qui permet d’identifier le « maillon faible » entre elles

Universalité évolutive de la bioélectricité

• Selon les recherches de Gürol Süel, les colonies bactériennes (biofilm) coordonnent elles aussi leur coopération et la répartition des ressources via des signaux électriques
  • Les changements de potentiel reflètent immédiatement l’état des cellules et servent de moyen rapide d’intégration de l’information
• La bioélectricité apparaît comme un mécanisme de coordination réapparu à de multiples reprises au cours de l’évolution
  • Elle est utilisée en commun chez divers êtres vivants, notamment dans les neurones, les cellules épithéliales ou les réponses tactiles des plantes
• Les travaux de Zhang, Levin, Barriga et d’autres montrent que les signaux électriques participent aussi à l’orientation de la croissance embryonnaire et à la morphogenèse

Perspectives d’extension de la recherche sur la bioélectricité

• Les cellules cancéreuses ont un potentiel de membrane différent de celui des cellules normales, et un échec de régulation électrique pourrait être lié à la formation des tumeurs
• La bioélectricité constitue la base de tous les systèmes énergétiques cellulaires, y compris la synthèse d’ATP
  • Certaines hypothèses sur l’origine de la vie proposent que les flux électriques des sources hydrothermales sous-marines aient été le point de départ du vivant
• Les chercheurs estiment qu’on n’a pas encore élucidé la moitié de la bioélectricité, et y voient un champ majeur d’exploration pour les sciences du vivant

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Commentaires sur Hacker News

• L’interview de Michael Levin était vraiment fascinante. À partir de 1:19:11, on peut voir sa rétrospective de plusieurs années de recherche sur la bioélectricité ainsi que des exemples étonnants, comme l’expérience où il a fait pousser des yeux sur des embryons de grenouille
  Voir l’interview
  • Sa rétrospective était particulièrement marquante. Ses travaux bousculent la vision du développement centrée sur les gènes. Des expériences montrant que des motifs électriques peuvent contourner les instructions génétiques et faire apparaître des yeux ailleurs que dans le tissu oculaire révèlent une autre couche d’information morphogénétique que nous commençons tout juste à comprendre
  • La vidéo revient aussi sur les débuts de son laboratoire. La découverte consistant à « modéliser » des yeux par bioélectricité était une innovation complètement folle. Je cherchais des gens avec qui discuter de ce sujet, donc j’ai créé un serveur Discord
    Lien pour rejoindre
  • Au passage, il faut absolument écouter aussi le début sur la biologie. Sans cela, on comprend beaucoup moins bien la suite
• Depuis que j’ai lu les travaux de Michael Levin, je suis convaincu que l’activité bioélectrique est très importante aussi en dehors des neurones. Ce cas est simple, mais intéressant. Le fait que des cellules se repoussent mutuellement pour identifier la plus faible donne l’impression d’un mécanisme de coopération et d’exclusion au sein d’une communauté
• Une étude de 2023 indique qu’un courant externe a permis d’accélérer la cicatrisation. C’était particulièrement efficace dans les cas difficiles à guérir, comme les plaies diabétiques
  Lien vers l’étude
• Je trouve que l’article de Quanta Magazine est un peu exagéré dans sa formulation. En réalité, l’étude montre que lorsque les cellules deviennent denses, le potentiel de membrane change, et que les cellules en manque d’énergie se contractent, envoient un signal à leurs voisines puis sont expulsées d’elles-mêmes. Autrement dit, il ne s’agit pas d’une « prise de décision collective » entre cellules, mais d’une réaction physico-chimique au niveau de la cellule individuelle
  • Dans ce cas, est-ce que le fait qu’une substance chimique change la direction d’un flagellum peut aussi être qualifié de « décision » ? Au fond, c’est une question de définition. On observe des mécanismes de coordination similaires aussi dans la division cellulaire (mitose)
  • C’est une explication juste
• Robert O. Becker abordait déjà ce genre de sujets dans The Body Electric (1985). Je suis heureux de voir que les recherches récentes prolongent cette lignée
• Même à l’échelle cellulaire, l’électricité est fondamentale. La plupart des biomolécules se situent à la frontière entre conducteur et isolant, et leur état change selon les liaisons ou les variations de pH. Les interactions électriques entre groupes de cellules constituent un niveau d’abstraction au-dessus
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• Est-ce que ce type de recherche pourrait être lié au phénomène des personnes qui se sentent sensibles aux rayonnements non ionisants ?
  • Une de mes connaissances a longtemps pensé que les ondes électromagnétiques étaient en cause, mais il s’est finalement avéré qu’elle souffrait d’une maladie génétique, l’hémochromatose, résolue par des dons du sang réguliers
  • Je suis en fait sensible aux champs électromagnétiques. Les ondes provoquent chez moi insomnie, cauchemars et aggravation des troubles de l’humeur. Les canaux ioniques voltage-dépendants sont liés aux troubles de l’humeur, et cela pourrait être la voie par laquelle les EMF agissent
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  • Au final, on projette de l’énergie, donc cela peut évidemment affecter l’équilibre chimique. Cela peut aussi être un effet simple, comme une hausse de température
• J’ai été surpris d’apprendre que les cellules dépensent 25 % de leur énergie pour maintenir leur potentiel de membrane
• Du point de vue du grand public, il est intéressant de voir des effets à longue distance apparaître aussi en dehors des neurones. Le récent article de Quanta sur les astrocytes va dans un sens similaire
  Lien vers l’article
• On sait depuis longtemps que certains réflexes se produisent sans décision consciente, comme retirer sa main après avoir touché quelque chose de brûlant. Ces réactions utilisent aussi des signaux électriques, donc je me demande ce qu’il y a de nouveau dans cette étude
  • Il ne s’agit pas d’une stimulation électrique qui fait bouger un muscle, mais d’un mécanisme par lequel l’état de santé d’une cellule est transmis comme signal afin d’expulser du tissu les cellules vieillissantes ou malades
  • Cela s’appelle le Withdrawal reflex. La « décision » se fait au niveau de la moelle épinière. On peut voir le cerveau comme une immense extension de la moelle épinière. Voir aussi Ganglion