Un microscope récemment mis au point fournit aux scientifiques un outil considérablement amélioré pour étudier comment les troubles neurologiques tels que l'épilepsie et la maladie d'Alzheimer affectent la communication neuronale. Le microscope est optimisé pour effectuer des études utilisant des techniques optogénétiques, une technologie relativement nouvelle qui utilise la lumière pour contrôler et imager des neurones génétiquement modifiés avec des protéines sensibles à la lumière.

"Notre nouveau microscope peut être utilisé pour explorer les effets de différentes mutations génétiques sur la fonction neuronale, " a déclaré Adam Cohen de l'Université Harvard, ETATS-UNIS, et le chef de l'équipe de recherche qui a développé le microscope. "Un jour, il pourrait être utilisé pour tester les effets des médicaments candidats sur les neurones dérivés de personnes atteintes de troubles du système nerveux afin d'essayer d'identifier des médicaments pour traiter des maladies qui ne disposent pas actuellement de traitements adéquats."

Le nouveau microscope, appelé Firefly, peut imager une zone de 6 millimètres de diamètre, plus de cent fois plus grand que le champ de vision de la plupart des microscopes utilisés pour l'optogénétique. Plutôt que d'étudier l'activité électrique d'un neurone, la grande zone d'imagerie permet de déclencher les impulsions électriques que les neurones utilisent pour communiquer, puis de regarder ces impulsions se déplacer d'une cellule à l'autre à travers un grand circuit neuronal contenant des centaines de cellules. Dans le cerveau, chaque neurone se connecte généralement à mille autres neurones, il est donc important de visualiser le réseau plus large pour comprendre comment les maladies neurologiques affectent la communication neuronale.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Biomédicale Express , Cohen et ses collègues racontent comment ils ont assemblé le nouveau microscope pour moins de 100 $, 000 en utilisant des composants qui sont presque tous disponibles dans le commerce. Le microscope n'image pas seulement une grande surface, mais capte également la lumière de manière extrêmement efficace. Cela fournit la qualité d'image élevée et la vitesse rapide nécessaires pour observer les impulsions électriques neuronales qui ne durent chacune qu'un millième de seconde.

Utiliser la lumière pour voir le feu des neurones

Le nouveau microscope est idéal pour étudier les neurones humains cultivés en laboratoire. Dans la dernière décennie, les scientifiques ont développé des modèles de cellules humaines pour de nombreux troubles du système nerveux. Ces cellules peuvent être génétiquement modifiées pour contenir des protéines sensibles à la lumière qui permettent aux scientifiques d'utiliser la lumière pour déclencher des neurones ou pour contrôler des variables telles que les niveaux de neurotransmetteurs ou l'agrégation de protéines. D'autres protéines fluorescentes sensibles à la lumière transforment les impulsions électriques invisibles provenant des neurones en brefs éclairs de fluorescence qui peuvent être visualisés et mesurés.

Ces techniques ont permis aux scientifiques d'étudier l'entrée et la sortie de neurones individuels, mais les microscopes disponibles dans le commerce ne sont pas optimisés pour utiliser pleinement le potentiel des approches optogénétiques. Pour combler cette lacune technologique, les chercheurs ont conçu le microscope Firefly pour stimuler les neurones avec un motif complexe contenant un million de points lumineux, puis enregistrer les brefs éclairs de fluorescence lumineuse qui correspondent aux impulsions électriques déclenchées par les neurones.

Chaque pixel du motif lumineux peut stimuler indépendamment une protéine sensible à la lumière. Étant donné que les pixels peuvent être de plusieurs couleurs distinctes, différents types de protéines sensibles à la lumière peuvent être déclenchés à la fois. Le motif lumineux peut être programmé pour couvrir un neurone entier, stimuler certaines zones d'un neurone ou être utilisé pour illuminer plusieurs cellules à la fois.

"Ce système optique fournit un million d'entrées et un million de sorties, nous permettant de voir tout ce qui se passe dans ces cultures neuronales, " a expliqué Cohen.