Les neurones sont des cellules cérébrales qui communiquent entre elles en envoyant des signaux électrochimiques le long des axones. Lorsqu'un neurone est sur le point de libérer un signal sous forme de charge électrique, il permet aux ions de traverser sa membrane via des canaux ioniques. Ce transfert d'ions crée une différence de potentiel électrique entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule, et cette différence est appelée potentiel de membrane.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire de biophotonique fondamentale (LBP) de la Faculté d'ingénierie (STI) de l'EPFL a mis au point un moyen de suivre l'évolution du potentiel membranaire et d'observer les flux d'ions en étudiant le comportement des molécules d'eau entourant les membranes de les neurones. Les chercheurs, qui ont testé avec succès leur méthode sur des neurones de souris in vitro, viennent de publier leurs conclusions dans Communication Nature .

Plus d'électrodes ni de fluorophores

Une meilleure compréhension de l'activité électrique des neurones pourrait donner un aperçu d'un certain nombre de processus qui se déroulent dans notre cerveau. Par exemple, les scientifiques pourraient voir si un neurone est actif ou au repos, ou s'il répond au traitement médicamenteux. Jusqu'à maintenant, la seule façon de surveiller les neurones était d'injecter des fluorophores dans, ou en fixant des électrodes sur, la partie du cerveau étudiée, mais les fluorophores peuvent être toxiques, et les électrodes peuvent endommager les neurones.

Récemment, les chercheurs du LBP ont développé un moyen de suivre l'activité électrique dans les neurones en examinant simplement les interactions entre les molécules d'eau et les membranes neurales. "Les neurones sont entourés de molécules d'eau, qui changent d'orientation en présence d'une charge électrique, " dit Sylvie Roke, directeur de la LBP. "Quand le potentiel membranaire change, les molécules d'eau vont se réorienter - et nous pouvons l'observer."

Dans leur étude, les chercheurs ont modifié le potentiel de la membrane neuronale en soumettant les neurones à un afflux rapide d'ions potassium. Cela a provoqué l'ouverture des canaux ioniques à la surface des neurones, qui servent à réguler le potentiel membranaire, et à laisser passer les ions. Les chercheurs ont ensuite coupé le flux d'ions, et les neurones ont libéré les ions qu'ils avaient captés.

Afin de surveiller cette activité, les chercheurs ont sondé les membranes lipidiques neuronales hydratées en illuminant les cellules avec deux faisceaux laser de même fréquence. Ces faisceaux sont constitués d'impulsions laser femtosecondes - utilisant une technologie pour laquelle le prix Nobel de physique 2018 a été décerné - afin que les molécules d'eau à l'interface de la membrane génèrent des photons avec une fréquence différente, connue sous le nom de lumière de deuxième harmonique.

"Nous voyons des implications à la fois fondamentales et appliquées de notre recherche. Non seulement cela peut nous aider à comprendre les mécanismes que le cerveau utilise pour envoyer des informations, mais il pourrait également intéresser les laboratoires pharmaceutiques intéressés par les tests de produits in vitro, " ajoute Roke. " Et nous avons maintenant montré que nous pouvons analyser un seul neurone ou n'importe quel nombre de neurones à la fois. "