Le signal de l'imagerie optique (en haut) correspond au signal d'un réseau d'électrodes (en bas). Crédit :Daniel Palanker, Doctorat., Université de Stanford.
Les scientifiques ont de nombreuses façons d'observer les neurones individuels dans un feu cérébral, envoyer des signaux électriques de l'un à l'autre, mais ils partagent tous un problème fondamental. Chaque méthode, qu'il s'agisse de sondes électriques, agents chimiques ou modifications génétiques, est en quelque sorte plus invasif que ne le souhaiteraient les neuroscientifiques.
Cela pourrait bientôt changer. Comme le rapportent les chercheurs de Stanford le 12 décembre dans Lumière :science et applications , ils ont développé un moyen de regarder les cellules du cerveau envoyer des signaux électriques en utilisant uniquement la lumière, quelques lentilles et autres éléments optiques, et une caméra vidéo rapide.
La clé de la nouvelle approche, dit Daniel Palanker, professeur d'ophtalmologie et auteur principal du nouvel article, est que lorsque les neurones envoient des signaux électriques, ils changent subtilement de forme. Ce changement à l'échelle nanométrique peut être mesuré à l'aide de techniques optiques.
Jusque là, Palanker, Tong Ling, un stagiaire postdoctoral et l'auteur principal du nouvel article, et ses collègues ont mesuré ces minuscules changements de forme dans les réseaux de cellules de type neurone dans une assiette de laboratoire. Ils adaptent maintenant leurs méthodes pour étudier les neurones dans le cerveau d'animaux vivants. Si ça marche, cela pourrait conduire à un moyen plus naturel d'étudier au moins certaines parties du cerveau.
"C'est tout naturel, pas de marqueurs chimiques, pas d'électrodes, rien. Ce ne sont que des cellules telles qu'elles sont, " dit Palanker, qui est membre de Stanford Bio-X et du Wu Tsai Neurosciences Institute.
La forme des choses
Il se passe beaucoup de choses lorsque les neurones se déclenchent. Il y a bien sûr le signal électrique lui-même, qui peut être capté par des électrodes. Il y a aussi des changements chimiques, qui peut être détecté à l'aide de molécules fluorescentes qui s'allument lorsqu'un neurone se déclenche.
Et puis il y a la forme. Les chercheurs ont d'abord réalisé que les neurones changent de forme en étudiant les neurones des écrevisses il y a plus de 40 ans. En 1977, une équipe de chercheurs de Stanford et de l'UCSF a fait rebondir un laser sur un neurone d'écrevisse alors qu'il tirait et a montré que sa largeur avait changé d'environ l'épaisseur d'un brin d'ADN humain.
Pourtant, traduire ces résultats en un moyen d'observer optiquement les neurones s'activant dans le cerveau humain ou d'autres mammifères s'est heurté à un certain nombre de défis. Pour une chose, Les neurones d'écrevisses sont 10 à 100 fois plus épais que les neurones de mammifères. Pour un autre, la technique utilisée par le groupe d'origine - une forme simple de ce qu'on appelle l'interférométrie - ne peut mesurer les changements qu'en un seul point à la fois, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé pour étudier seulement une petite zone d'une cellule à la fois, plutôt que d'imager la cellule entière ou même un réseau de neurones communiquant entre eux dans le cerveau.
La vidéo montre un champ de cellules tirant dans une vague de gauche à droite. Les points noirs sont des électrodes enregistrant des signaux électriques simultanés. Crédit :Daniel Palanker, Doctorat., Université de Stanford.
Un nouvel éclairage sur le déclenchement des neurones
Pour résoudre certains de ces problèmes, Lingue, Palanker et ses collègues se sont d'abord tournés vers une variante de l'interférométrie standard appelée microscopie de phase quantitative qui permet aux chercheurs de cartographier des paysages microscopiques entiers, par exemple, le paysage d'un réseau de cellules disposées sur une plaque de verre. La technique est suffisamment simple pour pouvoir être appliquée en projetant une lumière laser à travers ces cellules, en le passant à travers quelques lentilles, filtres et autres éléments optiques et filtres, et enregistrer la sortie avec une caméra. Cette image peut ensuite être traitée pour créer une carte topographique des cellules.
Lingue, Palanker et l'équipe ont estimé qu'ils pourraient utiliser la technique pour mesurer à quel point les neurones changent de forme lorsqu'ils se déclenchent. Pour tester l'idée, ils ont développé un réseau de cellules ressemblant à des neurones sur une plaque de verre et ont utilisé une caméra vidéo pour enregistrer ce qui s'est passé lorsque les cellules - en fait des cellules dérivées du rein modifiées pour se comporter davantage comme des neurones - se sont déclenchées. En synchronisant la vidéo avec des enregistrements électriques et en faisant une moyenne de plusieurs milliers d'exemples, l'équipe a créé un modèle qui décrit comment les cellules se déplacent lorsqu'elles se déclenchent :sur environ quatre millisecondes, l'épaisseur des cellules augmente d'environ trois nanomètres, un changement d'environ un centième de 1 pour cent. Une fois l'épaisseur maximale atteinte, la cellule met encore environ un dixième de seconde à se rétracter.
Regarder les cellules du cerveau au travail
Dans la phase initiale de l'expérimentation, l'équipe avait besoin d'électrodes pour savoir quand les cellules se sont déclenchées. Dans la deuxième phase, les membres de l'équipe ont montré qu'ils pouvaient utiliser leur modèle pour rechercher et identifier le déclenchement des cellules sans se fier aux électrodes.
Toujours, il y a un certain nombre d'étapes à franchir avant que l'équipe puisse faire fonctionner la méthode dans de vrais cerveaux. D'abord, l'équipe devra faire fonctionner la technique dans de vrais neurones, par opposition aux cellules de type neurone qu'ils ont examinées jusqu'à présent. "Les neurones sont plus capricieux, " Palanker a dit, mais l'équipe a déjà commencé à les expérimenter.
Un deuxième défi est que les neurones dans les vrais cerveaux ne sont pas disposés en une seule couche sur une plaque de verre, tout comme les cellules étudiées par le laboratoire de Palanker. En particulier, l'équipe ne peut pas faire passer des lasers à travers le cerveau et s'attendre à voir beaucoup de choses sortir de l'autre côté, sans parler des données utiles. Heureusement, Palanker a dit, les techniques qu'ils ont utilisées avec la lumière transmise fonctionnent de manière similaire en lumière réfléchie, et la plupart des neurones reflètent suffisamment de lumière pour que l'approche fonctionne en théorie.
Il y a une limitation que l'équipe ne pourra probablement pas contourner :comme la lumière ne pénètre pas profondément dans le cerveau, la nouvelle méthode ne pourra sonder que les couches externes. Toujours, pour les projets qui n'ont besoin d'étudier que ces couches, la technique pourrait donner aux chercheurs un produit plus propre, façon plus simple d'étudier le cerveau.
"D'habitude, les méthodes invasives affectent ce que font les cellules, rendant ainsi les mesures moins fiables, " dit Palanker. " Ici, vous ne faites rien aux cellules. En gros, vous les regardez simplement bouger. »
