Les scientifiques de l'Institut Max Planck de neurobiologie à Martinsried ont mis au point une méthode qui permet de découvrir les cellules nerveuses interconnectées du cerveau vivant en utilisant uniquement la lumière.
Des chercheurs examinent le cerveau actif d'un poisson-zèbre
Les scientifiques de l'Institut Max Planck de neurobiologie à Martinsried ont mis au point une méthode qui permet de découvrir les cellules nerveuses interconnectées du cerveau vivant en utilisant uniquement la lumière.
Grâce à la méthode "Optobow" publiée dans Nature Communications, les cellules nerveuses individuelles peuvent être activées au microscope ; l'illumination des cellules voisines montre alors le chemin du flux d'informations. Même dans le fourré du système nerveux, la forme et les connexions des cellules deviennent visibles. Les circuits fonctionnels et les types de cellules impliqués peuvent maintenant être étudiés dans le cerveau vivant.
Les méthodes modernes fournissent des informations de plus en plus détaillées sur la structure et les fonctions du cerveau. Le microscope montre quand et où les cellules nerveuses sont actives pendant une certaine action. Cependant, le fait que les cellules actives soient reliées entre elles ou l'ordre dans lequel elles échangent des informations reste généralement invisible. Auparavant, ces informations ne pouvaient être obtenues que partiellement et avec beaucoup d'efforts en utilisant des méthodes d'électrophysiologie ou de microscopie électronique.
En électrophysiologie, l'activité des cellules voisines est mesurée à l'aide d'aiguilles très fines. Cependant, cela n'est guère possible dans un tissu cérébral très dense ou profond, et les longues voies de connexion sont difficiles à tracer. De plus, les impulsions de quelques cellules seulement peuvent être mesurées simultanément. Dans les méthodes modernes de microscopie électronique (connectomique), toutes les cellules nerveuses et leurs connexions dans un cerveau préparé sont enregistrées couche par couche par un microscope électronique à balayage, puis reconstruites sur l'ordinateur. De cette façon, les connexions cellulaires deviennent visibles, mais le transfert dynamique d'informations d'un cerveau vivant reste caché. Les deux approches ont donc des limites évidentes. "Nous cherchions un moyen d'observer les connexions et le transfert d'informations des cellules nerveuses dans le cerveau actif sans endommager le cerveau, ni même le toucher", explique Dominique Förster. C'est avec cette motivation que M. Förster et ses collègues du département de Herwig Baier à l'Institut Max Planck de neurobiologie ont développé la méthode Optobow.
Marquage de couleur pour les cellules actives
À l'aide de méthodes de génie génétique, les chercheurs ont introduit le canal ionique photosensible "ChrimsonR" dans des cellules nerveuses individuelles du cerveau de larves de poisson-zèbre. Les cellules nerveuses qui entourent ces cellules ChrimsonR ont incité les scientifiques à produire du "GCaMP6", un indicateur de calcium. Couplée à la GCaMP6, une protéine fluorescente brillante a permis aux chercheurs de visualiser la forme de la cellule nerveuse, y compris ses fines branches et synapses. "Cela semble compliqué au début, et le développement a également pris un certain temps - mais le résultat est impressionnant", a déclaré M. Förster à propos de la nouvelle méthode. Comme les larves de poisson-zèbre et leur cerveau sont transparents, les chercheurs ont pu activer les cellules ChrimsonR simplement en éclairant le poisson avec de la lumière.
Lorsque la cellule ChrimsonR a déclenché un potentiel d'action dans une cellule voisine, l'indicateur de calcium de cette dernière a réagi à l'afflux d'ions associé et la protéine fluorescente a fait ressortir la cellule de la masse en couleur. Les scientifiques ont ainsi pu observer en direct au microscope quels types de cellules nerveuses ont été activées à quel moment et à quel endroit après l'activation de la cellule d'origine.
Une nouvelle méthode à fort potentiel
Les chercheurs ont déjà pu prouver l'utilité de la nouvelle méthode lors de leurs premières expériences : Dans la zone du cerveau du poisson zèbre, ils ont pu montrer que l'information reste dans la zone du cerveau sous forme d'image avant d'être transmise à d'autres zones. "Je ne sais pas quelle autre méthode de microscopie optique nous aurions pu utiliser pour découvrir ce lien", note Herwig Baier, responsable de l'étude. "Avec Optobow, nous pouvons maintenant observer pour la première fois dans le cerveau d'un animal vivant et actif quelles cellules nerveuses sont interconnectées, par exemple lorsqu'un ordre comportemental est généré dans le cerveau. La méthode devrait faire progresser de manière significative l'identification des composants cellulaires des circuits neuronaux ainsi que la compréhension de leur fonction, complétant ainsi l'électrophysiologie et les connectivités. Les changements dynamiques des connexions cellulaires, par exemple au cours de l'apprentissage et du développement, peuvent désormais être également étudiés plus facilement.