Une technique pionnière développée par le groupe Prevedel à l'EMBL permet aux neuroscientifiques d'observer des neurones vivants profondément à l'intérieur du cerveau - ou de toute autre cellule cachée dans un tissu opaque. La technique est basée sur deux méthodes de microscopie de pointe, microscopie à trois photons et optique adaptative. Le document rendant compte de cette avancée a été publié le 30 septembre 2021 dans Méthodes naturelles .

Jusqu'au développement de la nouvelle technique, il était difficile pour les neuroscientifiques d'observer des astrocytes générant des ondes de calcium dans les couches profondes du cortex, ou pour visualiser d'autres cellules neurales dans l'hippocampe, une région profonde du cerveau qui est responsable de la mémoire spatiale et de la navigation. Le phénomène a lieu régulièrement dans le cerveau de tous les mammifères vivants. En développant la nouvelle technique, Lina Streich du groupe Prevedel et ses collaborateurs ont pu capturer les moindres détails de ces cellules polyvalentes à une résolution sans précédent. L'équipe internationale comprenait des chercheurs d'Allemagne, L'Autriche, Argentine, Chine, La France, les États Unis, Inde, et la Jordanie.

Dans les neurosciences, les tissus cérébraux sont observés principalement dans de petits organismes modèles ou dans des échantillons ex vivo qui doivent être découpés en tranches pour être observés - qui représentent tous deux des conditions non physiologiques. L'activité normale des cellules cérébrales n'a lieu que chez les animaux vivants, mais le "cerveau de souris est un tissu très diffusant, " dit Robert Prevedel. " Dans ces cerveaux, la lumière ne peut pas être focalisée très facilement, car il interagit avec les composants cellulaires. Cela limite la profondeur à laquelle vous pouvez générer une image nette, et il est très difficile de se concentrer sur de petites structures profondément à l'intérieur du cerveau avec des techniques traditionnelles."

Merci à Streich, un ancien doctorant du laboratoire qui a travaillé pendant plus de quatre ans pour surmonter ce problème, les scientifiques peuvent maintenant scruter plus loin dans les tissus.

"Avec les techniques traditionnelles de microscopie cérébrale à fluorescence, deux photons sont absorbés par la molécule de fluorescence à chaque fois, et vous pouvez vous assurer que l'excitation provoquée par le rayonnement est confinée à un petit volume, " expliqua Prevedel, un physicien de formation. "Mais plus les photons voyagent loin, plus ils sont susceptibles d'être perdus à cause de la diffusion." Une façon de surmonter cela est d'augmenter la longueur d'onde des photons excitants vers l'infrarouge, qui assure une énergie de rayonnement suffisante pour être absorbée par le fluorophore. En outre, l'utilisation de trois photons au lieu de deux permet d'obtenir des images plus nettes au plus profond du cerveau. Mais un autre défi demeure :s'assurer que les photons sont focalisés, pour que l'ensemble de l'image ne soit pas flou.

C'est là que la deuxième technique utilisée par Streich et son équipe est importante. L'optique adaptative est régulièrement utilisée en astronomie - et c'était en effet crucial pour Roger Penrose, Reinhard Genzel et Andrea Ghez pour obtenir le prix Nobel de physique en 2020 pour leur découverte des trous noirs. Les astrophysiciens utilisent des déformables, des miroirs contrôlés par ordinateur pour corriger en temps réel la distorsion du front d'onde lumineuse causée par les turbulences atmosphériques. Dans le laboratoire de Prevedel, la distorsion est causée par le tissu inhomogène de diffusion, mais le principe et la technologie sont très similaires. "Nous utilisons également un miroir déformable à contrôle actif, qui est capable d'optimiser les fronts d'onde pour permettre à la lumière de converger et de se concentrer même profondément à l'intérieur du cerveau, " a expliqué Prevedel. " Nous avons développé une approche personnalisée pour la rendre suffisamment rapide pour être utilisée sur des cellules vivantes dans le cerveau, " ajoute Streich. Pour réduire le caractère invasif de la technique, l'équipe a également minimisé le nombre de mesures nécessaires pour obtenir des images de haute qualité.

"C'est la première fois que ces techniques sont combinées, " dit Streich, " et grâce à eux, nous avons pu montrer les images in vivo les plus profondes de neurones vivants à haute résolution. » Les scientifiques, qui a travaillé en collaboration avec des collègues de l'EMBL Rome et de l'Université de Heidelberg, même visualisé les dendrites et les axones qui relient les neurones de l'hippocampe, tout en laissant le cerveau complètement intact.

"C'est un pas vers le développement de techniques non invasives plus avancées pour étudier les tissus vivants, " a déclaré Streich. Bien que la technique ait été développée pour être utilisée sur un cerveau de souris, il est facilement applicable à n'importe quel tissu opaque. "Outre l'avantage évident de pouvoir étudier les tissus biologiques sans avoir besoin de sacrifier les animaux ou d'enlever les tissus superposés, cette nouvelle technique ouvre la voie à l'étude longitudinale d'un animal, C'est, depuis le début d'une maladie jusqu'à la fin. Cela donnera aux scientifiques un instrument puissant pour mieux comprendre comment les maladies se développent dans les tissus et les organes. »