Le cerveau humain est un complexe exquis, CPU organique, fait de milliers de milliards de connexions entre plusieurs milliards de neurones. Comprendre un organe aussi compliqué est une entreprise scientifique colossale, et les chercheurs utilisent souvent des modèles simplifiés pour découvrir de petites pièces du puzzle neurologique.

Dans un rapport publié dans Micromachines , Des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo décrivent leur nouvelle méthode pour créer un tel modèle en utilisant des plaques microscopiques pour connecter les neurones ensemble une cellule à la fois.

La recherche sur le cerveau implique généralement l'utilisation de cultures in vitro, qui sont des collections de neurones cultivés ensemble dans un plat. Une culture représente, en effet, une version très épurée d'un cerveau qui peut être manipulé chimiquement ou électriquement. Alors que les cultures sont indispensables à la recherche neurologique, ils souffrent de limitations considérables.

« Les modèles de culture in vitro sont des outils essentiels car ils se rapprochent de réseaux de neurones relativement simples et sont contrôlables expérimentalement, ", déclare le premier auteur de l'étude Shotaro Yoshida. "Ces modèles ont joué un rôle déterminant dans le domaine depuis des décennies. Le problème est qu'ils sont très difficiles à contrôler, puisque les neurones ont tendance à établir des connexions aléatoires les uns avec les autres. Si nous pouvons trouver des méthodes pour synthétiser les réseaux de neurones de manière plus contrôlée, cela stimulerait probablement des avancées majeures dans notre compréhension du cerveau. »

Les chercheurs ont profité d'informations récentes sur le comportement des neurones; à savoir, que les formes géométriques peuvent guider les neurones, leur dire où et comment grandir. Dans ce cas, l'équipe a utilisé un matériau synthétique adhésif pour neurones pour fabriquer une plaque microscopique. La plaque est circulaire avec deux rectangles saillants, ressemblant un peu à une perle sur une ficelle serrée. Ils ont découvert que cette forme guide la croissance des neurones d'une manière très définie :lorsqu'ils sont placés sur la microplaque, le corps cellulaire d'un neurone s'installe sur le cercle, tandis que l'axone et les dendrites - les branches qui permettent aux neurones de communiquer entre eux - se développent dans le sens de la longueur le long des rectangles.

"Ce qui était particulièrement important dans ce système, c'était de contrôler la façon dont les neurones se connectaient, " Yoshida ajoute. " Nous avons conçu les microplaques pour être mobiles, pour qu'en les bousculant, nous pourrions physiquement déplacer deux neurones l'un à côté de l'autre. Une fois que nous les avons placés ensemble, nous pourrions alors tester si les neurones étaient capables de transmettre un signal."

Les neurones communiquent entre eux par des synapses, structures spécialisées qui permettent aux messagers chimiques de voyager d'un neurone à l'autre. En utilisant une technique pour visualiser les parties d'une synapse, l'équipe de recherche a découvert que les neurones chevauchant des microplaques étaient en effet capables de former ces centres de communication. Quoi de plus, les hubs étaient fonctionnels :lorsqu'un neurone s'illuminait avec des ions chargés électriquement, son partenaire s'illumina précisément au même moment.

Alors que l'équipe vise à affiner davantage le système (seule une petite fraction des neurones pourrait être connectée avec succès via des synapses fonctionnelles), les résultats de l'étude suggèrent un pas en avant important dans l'utilisation des microplaques pour la recherche.

"C'est, au meilleur de notre connaissance, la première fois qu'une microplaque mobile a été utilisée pour influencer morphologiquement les neurones et former des connexions fonctionnelles, " conclut l'enquêteur principal Shoji Takeuchi. "Nous pensons que cette technique nous permettra à terme de concevoir des modèles de réseaux de neurones simples avec une résolution à cellule unique. C'est une perspective passionnante, car il ouvre de nombreuses nouvelles voies de recherche qui ne sont pas possibles avec notre suite actuelle d'outils expérimentaux. »