Une étude récente menée par des scientifiques européens montre que des capteurs très sensibles basés sur les centres de couleur d'un diamant peuvent être utilisés pour enregistrer l'activité électrique des neurones des tissus cérébraux vivants. Les travaux sont publiés dans la revue Scientific Reports .
Avant que les gens ne présentent des symptômes de maladies cérébrales telles que la démence, de légers changements se sont généralement déjà produits dans le tissu cérébral. Il se peut que certaines parties du cerveau enflent ou que des amas de protéines se forment. Ces petits changements pourraient influencer la façon dont les cellules nerveuses du cerveau se signalent et communiquent, ainsi que la façon dont les informations sont traitées et mémorisées.
Les scientifiques médicaux souhaitent étudier ces changements mineurs qui se produisent aux tout premiers stades d’une maladie. De cette façon, l’intention est d’en apprendre davantage sur les causes de la maladie afin de fournir de nouvelles informations et des traitements plus efficaces. Aujourd'hui, les études microscopiques sur le cerveau sont réalisées avec l'une des deux stratégies suivantes :inspection optique d'échantillons de tissus cérébraux provenant d'animaux ou de patients décédés souffrant de la maladie étudiée ou mesures des signaux des cellules nerveuses à l'aide de fils, de coloration ou de lumière. /P>
Ces méthodes présentent cependant certaines limites :elles peuvent endommager les tissus ou modifier les signaux. En outre, ils peuvent fonctionner différemment selon le tissu que vous étudiez ; les signaux provenant de certaines parties des cellules nerveuses impliquées dans une maladie particulière peuvent être difficiles à mesurer.
Des scientifiques du DTU, de l'Université de Copenhague, de l'Hôpital universitaire de Copenhague, de l'Université de la Sorbonne et de l'Université de Leipzig ont trouvé un moyen de mesurer les signaux du tissu cérébral sans y toucher ni y insérer de sondes à aiguilles. Pour ce faire, ils mesurent les faibles champs magnétiques produits par les cellules nerveuses lors de la communication. Ce faisant, ils ont profité du fait que le champ magnétique traverse les tissus sans changement.
"Dans l'ensemble, l'idée est que la détection du champ magnétique est finalement non invasive. Vous n'avez pas besoin d'insérer des électrodes ou des sondes ni de colorer le tissu que vous souhaitez analyser. Parce que l'on capte le champ magnétique induit, on obtient des informations sur l'activité sans insérer de capteur physique dans le système ni le modifier d'une autre manière", explique Alexander Huck, professeur agrégé au DTU Physics qui supervisait le projet et est co-auteur de l'étude.
La mesure des champs magnétiques induits dans le corps humain n’a rien de fondamentalement nouveau, mais elle nécessite généralement un équipement spécial, encombrant et nécessitant un refroidissement cryogénique. En tant que telles, les méthodes traditionnelles ne conviennent pas à la mesure de petits échantillons de tissus vivants, encore moins de tissus provenant du cerveau humain.
Dans ce projet, l’équipe de scientifiques profite de minuscules défauts délibérés dans les cristaux de diamant synthétique. Ces défauts sont appelés centres de couleur ou, techniquement, centres de lacunes d'azote/centres NV. Le terme centres NV dérive du fait que dans le diamant, un atome de carbone est remplacé par un atome d’azote et se trouve à côté d’une lacune, c’est-à-dire là où aucun atome n’est présent. Cela amène les centres à permettre l'absorption de la lumière et, lors de la libération d'énergie, l'émission de lumière.
"Ces centres de couleur NV ont également un électron non apparié efficace avec un spin, et s'il existe un champ magnétique, le spin de l'électron oscille autour de ce champ. Ainsi, si le champ magnétique augmente ou diminue, il oscillera un peu plus vite ou un peu plus lentement, et nous pouvons mesurer ces changements via l'émission lumineuse des centres de couleurs NV", explique Huck.
Le dispositif expérimental est le suivant :dans une chambre à l'échelle centimétrique, une tranche de tissu cérébral est placée sur des couches isolantes de papier d'aluminium. Le diamant est serti dans un trou au fond de la chambre, sous les couches isolantes. Un laser vert et une antenne micro-ondes sont ensuite dirigés vers le centre de couleur du diamant et l'émission lumineuse du diamant est enregistrée. Lorsque les scientifiques stimulent le déclenchement simultané des neurones des tissus, ils peuvent mesurer les changements dans la luminosité de l'émission de lumière provenant des centres de couleur.
Surtout, la lumière laser et les micro-ondes n'atteignent jamais le tissu cérébral (pas un véritable cerveau humain dans ce cas, mais le tissu du cerveau d'une souris). Les changements dans le champ magnétique sont simplement suivis à l'aide des centres de couleurs NV.
"Lorsque les neurones de l'échantillon de tissu cérébral s'activent, cela induit un champ magnétique qui modifie ensuite l'émission de lumière et la luminosité du diamant, que nous enregistrons sous forme de signal optique", explique Huck.
Dans leurs expériences, les scientifiques peuvent distinguer les signaux provenant de différents types de cellules nerveuses. Ils ont vérifié leurs mesures à l’aide d’une technique éprouvée qui touchait les tissus et mesurait directement l’électricité. Ils montrent également comment ils peuvent modifier artificiellement l'activité des neurones dans les tissus en utilisant un médicament qui bloque des canaux spécifiques dans les cellules nerveuses.
"En fin de compte, l'idée est que lorsque vous avez un patient chez lequel vous soupçonnez une sorte de maladie neurodégénérative, vous pouvez utiliser des méthodes dérivées de nos expériences pour diagnostiquer la maladie précise", conclut Huck. Il souligne cependant que beaucoup de travail reste encore à faire pour que cela soit le cas :
"Si nous comparons notre technique à d'autres méthodes utilisées aujourd'hui, qui existent depuis des décennies, elles sont encore meilleures que ce que nous pouvons faire actuellement. Nous n'en sommes qu'à un stade précoce et il reste encore beaucoup de travail à faire avant que cette technique puisse être utilisée." être transférés et appliqués dans un environnement clinique. La recherche dans les centres NV et l'exploration de leurs domaines d'application les plus appropriés en sont encore à leurs débuts :il s'agit d'un domaine naissant."
Plus d'informations : Nikolaj Winther Hansen et al, Enregistrement magnétique à l'échelle microscopique de l'activité électrique neuronale du cerveau à l'aide d'un capteur quantique en diamant, Rapports scientifiques (2023). DOI :10.1038/s41598-023-39539-y
Informations sur le journal : Rapports scientifiques
Fourni par DTU (Université technique du Danemark)
