Une étude, dont les résultats intitulés « Nanoscale molecular architecture controls calcium diffusion and ER replenishment in dendritic spines » ont été publiés dans la revue Science Advances, a permis, « en combinant théorie, modélisation mathématique et méthodes expérimentales », de montrer « que le positionnement d'acteurs moléculaires à l'échelle nanométrique est stratégique pour le contrôle d'événements calciques qui permettent de programmer les neurones sur le long terme ».

Relevons  tout d’abord que « l’architecture des neurones et des connections synaptiques soutient des fonctions cérébrales fondamentales comme l’acquisition et la modulation de la mémoire » et que « les terminaux synaptiques sont de très petite taille à l'échelle micrométrique, fonctionnant avec une machinerie moléculaire complexe ». Dans ce contexte, l’étude ici présentée a analysé «la façon dont les acteurs moléculaires des terminaux synaptiques sont organisés pour contrôler les événements qui déterminent les changements des connections synaptiques et donc la programmation des neurones ».

Concrètement, les événements en question «sont des changements miniatures et orchestrés de la concentration du calcium grâce à un positionnement stratégique et donc dans une architecture nanométrique à l'intérieure des synapses ». Comme « le terminal post-synaptique positionné sur une épine dendritique est le siège d'événements calciques qui se produisent à des échelles de temps rapides (en millisecondes) avec des résolutions spatiales submicroniques » et comme « cette résolution spatio-temporelle n’est pas encore accessible en simple microscopie »,  une approche combinant théorie et pratique expérimentale a été utilisée «pour montrer que les transitions calciques rapides observées dans les épines peuvent s'expliquer grâce à une nouvelle théorie », appellée la statistiques des évènements extrêmes, « où les temps caractéristiques de l’activation calcique sont liés à l’arrivée des premiers ions calcium sur leurs cibles moléculaires ».

Au bout du compte, « les prédictions théoriques qui ont conduit aux vérifications par imagerie de super-résolution ont permis de trouver le positionnement à l'échelle nanométrique des pompes a calcium (SERCA) et des récepteurs (de Ryanodine) situés au-dessous des réserves de calcium présentes dans le réticulum endoplasmique (RE) ». Il apparaît que « la séparation physique de ces récepteurs avec d’autres molécules (STIM-ORAI) garantit l'absence d'ambiguïté entre le remplissage et la "vidange" du RE ».

Ainsi, cette étude révèle « l'importance des théories de physiques statistiques permettant désormais, grâce à la modélisation mathématique et aux simulations stochastiques, d'accéder à l’exploration des phénomènes biologiques à petite échelle ». La prochaine étape sera « de caractériser les conditions nanométriques liées à certaines pathologiques telles que la maladie d'Alzheimer sur la base des divergences nano- et micro-architecturales avec des synapses normales ».