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Posté par Adrien le Jeudi 11/01/2018 à 00:00
Contrôle optique de neurones uniques
Les équipes de Valentina Emiliani au Laboratoire de neurophotonique et de Ed Boyden au MIT à Boston (USA), ont élaboré une nouvelle approche qui permet le contrôle spatial et temporel de l'activation neuronale au niveau d'une cellule unique avec une résolution de l'ordre de la milliseconde. Cette approche combine le développement de nouvelles opsines pour l'optogénétique avec des technologies innovantes de mise en forme "holographique" de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...). Ceci ouvre la possibilité de sonder la connectivité entre chaque neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le...) dans un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire...) neuronal et de comprendre comment les neurones contribuent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) au traitement de l'information. Cette étude a été publiée le 13 novembre 2017 dans la revue Nature Neuroscience.


Figure: Cartographie de la connectivité neuronale. Stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel...) de neurones avec de la lumière sculptée par holographie (L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot holographie vient du grec holos « en...) (points rouges) et enregistrement électrique des réponses d'un neurone spécifique (point jaune), dans des tranches de cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la...) de souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de...) qui expriment l'opsine non-somatique ou l'opsine somatique. La stimulation des cellules connectées à ce neurone a été réalisée avant et après la perfusion (La perfusion (du latin perfundere) est le processus physiologique qui permet d'alimenter un organe en composés chimiques (nutriments et oxygène) nécessaires à son métabolisme. Dans un organisme vivant, cet...) des bloquants des récepteurs synaptiques. Lorsque les expériences sont conduites dans des tranches de cerveaux qui expriment l'opsine somatique, les réponses enregistrées révèlent de claires réponses synaptiques (traces noires, sensibles aux bloquante des récepteurs synaptiques) et moins de réponses artéfactuelles (traces bleues, générées par la stimulation accidentelle des neurites du neurone enregistré) ce qui permet d'identifier la présence de connexions entre les neurones étudiés.
© Dimitrii Tanese, Valeria Zampini

Il y a plus de dix ans, Ed Boyden et ses collaborateurs ont été pionniers dans l'utilisation de protéines sensibles à la lumière (opsines) pour la manipulation optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) électrique neuronale. Cette nouvelle technique, appelée "optogénétique", révolutionne aujourd'hui la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en neurosciences, ouvrant à plus long terme des perspectives considérables dans le domaine de la recherche médicale (La recherche médicale se divise en recherche fondamentale et clinique.), depuis le traitement des maladies neurodégénératives et de la dépression, jusqu'au rétablissement de la vision.

Jusqu'à présent, la majeure partie des expériences en optogénétique a utilisé une approche d'éclairement relativement simple qui consiste à illuminer une grande région du cerveau avec de la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.). Malgré le manque de spécificité de cette illumination, cette approche a permis de contrôler l'activité d'un réseau spécifique de neurones grâce à la précision du ciblage génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les...). Cependant, des neurones qui appartiennent au même réseau neuronal peuvent avoir des codes neuronaux et des fonctions différentes, comme par exemple être responsables de tâches différentes, répondre à divers stimuli ou encore avoir un modèle d'activité particulier.

Afin d'obtenir un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) indépendant d'une cellule ou d'un groupe spécifique de cellules, les chercheurs ont combiné deux techniques innovantes: une nouvelle stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) de ciblage des opsines qui permet de les confiner dans le corps cellulaire du neurone, et un microscope bi-photonique à modulation du front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...), basé sur le principe de l'holographie (CGH) et qui permet de "sculpter" la lumière de manière à cibler des structures uniques ou des ensembles de structures cellulaires spécifiques.

De manière simplifiée, il est possible, grâce à l'utilisation d'un algorithme itératif, de calculer l'hologramme (L'hologramme est le produit de l'holographie. Il s'agit historiquement d'un procédé de photographie en relief. Aujourd'hui, un hologramme représente une...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) qui, transmis à un faisceau lumineux, reproduit, après propagation de l'onde, une distribution lumineuse arbitraire (cible). Grâce à l'utilisation d'un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.) (LC-SLM), ce profil de phase est transmis à un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) et permet ainsi de générer, dans le plan focal de l'objectif du microscope, une nouvelle distribution lumineuse qui reproduit exactement le cible choisie par l'utilisateur.

Au cours des dernières années, l'équipe de Valentina Emiliani a démontré que l'excitation deux-photons combinée à la technique de CGH est efficace pour la focalisation de la lumière laser afin d'obtenir l'illumination précise d'une seule cellule ou d'un groupe de cellules dans le cerveau.

Malgré la précision obtenue avec la technique de l'holographie, il est à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) difficile d'obtenir une activation (Activation peut faire référence à :) optogénétique avec une vraie résolution cellulaire. L'explication réside dans le fait que les corps cellulaires des neurones sont densément entourés par des prolongements dits neurites (axones et dendrites) émanant des cellules voisines. Malgré le confinement optique du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'excitation, l'illumination du corps cellulaire d'un seul neurone peut également exciter ces neurites qui traversent le volume d'illumination, provoquant ainsi une excitation parasite des neurones voisins.

Afin de résoudre ce problème, l'équipe d'Ed Boyden a montré que la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) de l'opsine CoChR à un court segment amino-terminal de la sous-unité KA2 du récepteur kaïnate permettait le ciblage sélectif de CoChR vers le corps cellulaire des neurones du cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.), évitant ainsi une expression de l'opsine dans les neurites.

Grâce à la combinaison (Une combinaison peut être :) de l'illumination holographique et de cette protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En...) de fusion, nommée CoChR somatique (soCoChR), les deux équipes ont pu mettre en évidence la stimulation de neurones individuels dans des tranches de cerveau avec une précision de la milliseconde. Ils ont également démontré qu'il est possible avec cette approche de mesurer les réponses d'un neurone spécifique à la stimulation de cellules voisines et détecter ainsi ses connections.

Ces travaux ouvrent la voie vers la réalisation d'une cartographie de la connectivité dans le cerveau et la possibilité d'analyser les changements entre les connections neuronales en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel, au cours de la réalisation de tâches ou de l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par...) de nouvelles capacités. Les chercheurs planifient maintenant le passage vers ce type d'étude à travers l'application de la méthode à l'animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se...) vivant. Ils travaillent aussi à l'amélioration du ciblage de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) et au développement d'opsines avec des courants électriques élevés engendrant l'inhibition de l'activité neuronale.

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Source: CNRS-INSB