Les neuroscientifiques du MIT ont développé un nouveau capteur d'imagerie par résonance magnétique (IRM) qui leur permet de surveiller l'activité neuronale profondément dans le cerveau en suivant les ions calcium.

Étant donné que les ions calcium sont directement liés à la décharge neuronale, contrairement aux modifications du flux sanguin détectées par d'autres types d'IRM, qui fournissent un signal indirect - ce nouveau type de détection pourrait permettre aux chercheurs de lier des fonctions cérébrales spécifiques à leur schéma d'activité neuronale, et pour déterminer comment des régions cérébrales distantes communiquent entre elles lors de tâches particulières.

"Les concentrations d'ions calcium sont étroitement corrélées aux événements de signalisation dans le système nerveux, " dit Alan Jasanoff, un professeur de génie biologique au MIT, sciences du cerveau et cognitives, et la science et l'ingénierie nucléaires, membre associé du McGovern Institute for Brain Research du MIT, et l'auteur principal de l'étude. "Nous avons conçu une sonde avec une architecture moléculaire qui peut détecter des changements relativement subtils du calcium extracellulaire qui sont corrélés à l'activité neuronale."

Dans des tests sur des rats, les chercheurs ont montré que leur capteur de calcium peut détecter avec précision les changements d'activité neuronale induits par une stimulation chimique ou électrique, profondément dans une partie du cerveau appelée le striatum.

Les associés de recherche du MIT Satoshi Okada et Benjamin Bartelle sont les principaux auteurs de l'étude, qui paraît dans le numéro du 30 avril de Nature Nanotechnologie . D'autres auteurs incluent le professeur de sciences cérébrales et cognitives Mriganka Sur, Associé de recherche Nan Li, post-doctorant Vincent Breton-Provencher, ancienne postdoctorante Elisenda Rodriguez, Jiyoung Lee, premier cycle du Wellesley College, et lycéen James Melican.

Suivi du calcium

Un pilier de la recherche en neurosciences, L'IRM permet aux scientifiques d'identifier les parties du cerveau qui sont actives lors de tâches particulières. Le type le plus couramment utilisé, appelée IRM fonctionnelle, mesure le flux sanguin dans le cerveau en tant que marqueur indirect de l'activité neuronale. Jasanoff et ses collègues voulaient concevoir un moyen de cartographier les modèles d'activité neuronale avec une spécificité et une résolution que les techniques d'IRM basées sur le flux sanguin ne peuvent pas atteindre.

"Les méthodes capables de cartographier l'activité cérébrale dans les tissus profonds reposent sur des changements dans le flux sanguin, et ceux-ci sont couplés à l'activité neuronale par de nombreuses voies physiologiques différentes, " dit Jasanoff. " En conséquence, le signal que vous voyez à la fin est souvent difficile à attribuer à une cause sous-jacente particulière."

Flux d'ions calcium, d'autre part, peut être directement liée à l'activité des neurones. Lorsqu'un neurone émet une impulsion électrique, les ions calcium se précipitent dans la cellule. Depuis une dizaine d'années, les neuroscientifiques ont utilisé des molécules fluorescentes pour marquer le calcium dans le cerveau et l'imager avec la microscopie traditionnelle. Cette technique leur permet de suivre avec précision l'activité des neurones, mais son utilisation est limitée à de petites zones du cerveau.

L'équipe du MIT a cherché un moyen d'imager le calcium à l'aide de l'IRM, ce qui permet d'analyser des volumes de tissus beaucoup plus importants. Pour faire ça, ils ont conçu un nouveau capteur capable de détecter des changements subtils dans les concentrations de calcium à l'extérieur des cellules et de répondre d'une manière pouvant être détectée par IRM.

Le nouveau capteur se compose de deux types de particules qui se regroupent en présence de calcium. L'une est une protéine naturelle de liaison au calcium appelée synaptotagmine, et l'autre est une nanoparticule magnétique d'oxyde de fer enrobée d'un lipide qui peut également se lier à la synaptotagmine, mais seulement lorsque le calcium est présent.

La liaison au calcium incite ces particules à s'agglomérer, les rendant plus sombres sur une image IRM. Des niveaux élevés de calcium à l'extérieur des neurones sont en corrélation avec une faible activité neuronale; lorsque les concentrations de calcium chutent, cela signifie que les neurones de cette zone émettent des impulsions électriques.

Détecter l'activité cérébrale

Pour tester les capteurs, les chercheurs les ont injectés dans le striatum de rats, une région qui est impliquée dans la planification du mouvement et l'apprentissage de nouveaux comportements. Ils ont ensuite donné aux rats un stimulus chimique qui induit de courts épisodes d'activité neuronale, et a constaté que le capteur de calcium reflétait cette activité.

Ils ont également découvert que le capteur captait l'activité induite par la stimulation électrique dans une partie du cerveau impliquée dans la récompense.

La version actuelle du capteur répond quelques secondes après la stimulation cérébrale initiale, mais les chercheurs travaillent à accélérer cela. Ils essaient également de modifier le capteur afin qu'il puisse se propager dans une plus grande région du cerveau et traverser la barrière hémato-encéphalique, ce qui permettrait de délivrer les particules sans les injecter directement sur le site d'essai.

Avec ce genre de capteur, Jasanoff espère cartographier les modèles d'activité neuronale avec une plus grande précision qu'il n'est maintenant possible. "Vous pourriez imaginer mesurer l'activité du calcium dans différentes parties du cerveau et essayer de déterminer, par exemple, comment différents types de stimuli sensoriels sont codés de différentes manières par le schéma spatial de l'activité neuronale qu'ils induisent, " il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.