Grâce au domaine émergent de l'optogénétique, une technologie qui permet de contrôler avec précision les neurones génétiquement modifiés dans les tissus vivants au moyen de la lumière, les scientifiques tentent de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau dans l'espoir de découvrir des remèdes contre les troubles neuronaux débilitants tels que le trouble de stress post-traumatique (SSPT) et la maladie d'Alzheimer.

Un ingénieur du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avec des chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université de New York (NYU), ont fait un grand pas en avant en permettant le contrôle optogénétique « multicolore » de différents types de neurones. L'équipe, dont Komal Kampasi de LLNL, a développé un nouvel implant neuronal à base de silicium qui peut contrôler l'activité électrique des cellules cérébrales en projetant une lumière multicolore dans le cerveau de souris éveillées. Les résultats ont été publiés dans Nature Microsystèmes &Nano-ingénierie et est apparu sur la couverture de juin du journal.

L'auteur principal du journal, Kampasi a effectué ses travaux en tant que doctorante à l'Université du Michigan. Elle a dit que la technologie ouvre de nouvelles voies pour l'interrogation des circuits neuronaux, qui aidera les scientifiques à mieux comprendre l'organisation et la fonction des circuits neuronaux complexes.

"Alors que la plupart des recherches dans le domaine de l'optogénétique se sont concentrées sur la manipulation d'un type de neurone à la fois en fournissant une lumière monochrome, notre technologie offre un multicolore, solution sans fibre pour contrôler deux ou plusieurs populations neuronales entremêlées spatialement, " a expliqué Kampasi. " Il s'agit d'un grand pas en avant dans le domaine de l'optogénétique, car les neuroscientifiques peuvent désormais manipuler différents types de neurones au niveau d'un circuit local tout en enregistrant simultanément de haute qualité, données électriques à faible bruit provenant de ces cellules."

Kampasi, qui a qualifié l'appareil d'"étape de l'ingénierie, " ajoute que la conception de ses équipes élimine l'utilisation d'encombrants, fibres optiques invasives en intégrant des microlasers et des guides d'ondes embarqués pour délivrer une lumière multicolore, rendre la plate-forme beaucoup plus compacte, évolutif et moins invasif tout en conservant l'optique, caractéristiques thermiques et électriques requises pour un implant neural.

Les National Institutes of Health (NIH) ont financé l'étude de trois ans dans le cadre de l'initiative BRAIN de la Maison Blanche, un effort de collaboration public-privé visant à révolutionner la compréhension du cerveau humain. Il s'est concentré sur le développement de neurotechnologies avancées pour étudier des régions cérébrales plus denses et plus profondes telles que l'hippocampe, la partie du cerveau responsable de la création et de la conservation des souvenirs. L'équipe de Kampasi, dirigé par le professeur Euisik Yoon de l'Université du Michigan, développé l'optoélectrode neurale multicolore, qui a été implanté dans le cerveau de souris par l'équipe de neuroscientifiques de Gyorgy Buzsaki à NYU. L'équipe de Buzsaki voulait comprendre comment les souvenirs se forment et s'effacent en étudiant l'interaction entre différents types de cellules dans l'hippocampe.

« Nous voulions savoir si nous pouvions contrôler avec précision l'activité de pointe de types de neurones densément entremêlés dans l'hippocampe de souris ; nous étions ravis de voir que nous pouvons, " a déclaré Kampasi. " Une telle capacité de manipuler plusieurs types de cellules, simultanément et indépendamment, à un emplacement de circuit spécifique est essentiel pour comprendre l'interaction entre les différents types de neurones et constitue une voie importante pour l'avenir de la recherche en neurosciences.

L'un des objectifs actuels de Kampasi est d'appliquer la technologie au flexible unique de LLNL, sondes neurales à couche mince. Les réseaux d'électrodes de LLNL ont été utilisés récemment dans plusieurs études pour enregistrer et stimuler l'activité cérébrale et ont démontré une durée de vie longue. L'intégration d'optiques flexibles embarquées sur les appareils de LLNL améliorera considérablement les capacités des réseaux de sondes neuronales existants et permettra de nouvelles études auparavant impossibles, les chercheurs ont dit.

"En associant cette capacité de stimulation optique de pointe à la technologie de sonde neurale flexible de Livermore, qui montre une stabilité et des durées de vie exceptionnelles, nous travaillons à développer un premier de son genre, réseaux d'optoélectrodes flexibles à base de polymère, " dit Shankar Sundaram, directeur du centre de bio-ingénierie de LLNL. "Cette, de concert avec les enregistrements électrophysiologiques à haute densité, promet d'apporter un nouvel éclairage sur le fonctionnement du cerveau."