Les scientifiques font une découverte cruciale d'une méthode de modulation sans fil des neurones avec des rayons X qui pourrait améliorer la vie des patients atteints de troubles cérébraux. La source de rayons X ne nécessite qu'un appareil comme celui que l'on trouve dans un cabinet dentaire.

De nombreuses personnes dans le monde souffrent de troubles cérébraux liés au mouvement. L'épilepsie en représente plus de 50 millions; tremblement essentiel, 40 millions; et la maladie de Parkinson, 10 millions.

Le soulagement de certaines personnes souffrant de troubles cérébraux pourrait un jour être apporté sous la forme d'un nouveau traitement inventé par des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) et de quatre universités. Le traitement est basé sur des percées à la fois en optique et en génétique. Il serait applicable non seulement aux troubles cérébraux liés au mouvement, mais aussi la dépression chronique et la douleur.

Ce nouveau traitement consiste à stimuler les neurones profondément dans le cerveau au moyen de nanoparticules injectées qui s'illuminent lorsqu'elles sont exposées aux rayons X (nanoscintillateurs) et éliminerait une chirurgie cérébrale invasive actuellement utilisée.

"Notre approche non invasive de haute précision pourrait devenir routinière avec l'utilisation d'un petit appareil à rayons X, le genre que l'on trouve couramment dans tous les cabinets dentaires, " a déclaré Elena Rozhkova, auteur principal et nanoscientifique au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

La stimulation cérébrale profonde traditionnelle nécessite une procédure neurochirurgicale invasive pour les troubles lorsque la thérapie médicamenteuse conventionnelle n'est pas une option. Dans la procédure traditionnelle, approuvé par la Food and Drug Administration des États-Unis, les chirurgiens implantent un générateur d'impulsions calibré sous la peau (semblable à un stimulateur cardiaque). Ils le connectent ensuite avec une rallonge isolée à des électrodes insérées dans une zone spécifique du cerveau pour stimuler les neurones environnants et réguler les impulsions anormales.

"Le scientifique hispano-américain José Manuel Rodríguez Delgado a fait une démonstration célèbre de stimulation cérébrale profonde dans une arène dans les années 1960, " a déclaré Vassiliy Tsytsarev, neurobiologiste de l'Université du Maryland et co-auteur de l'étude. "Il a immobilisé un taureau enragé qui le chargeait en envoyant un signal radio à une électrode implantée."

Il y a environ 15 ans, les scientifiques ont introduit une technologie révolutionnaire de neuromodulation, « l'optogénétique, " qui repose sur la modification génétique de neurones spécifiques dans le cerveau. Ces neurones créent un canal ionique sensible à la lumière dans le cerveau et, ainsi, feu en réponse à la lumière laser externe. Cette approche, cependant, nécessite des fils de fibre optique très fins implantés dans le cerveau et souffre de la profondeur de pénétration limitée de la lumière laser à travers les tissus biologiques.

L'approche optogénétique alternative de l'équipe utilise des nanoscintillateurs injectés dans le cerveau, en contournant les électrodes implantables ou les fils de fibre optique. Au lieu de lasers, ils remplacent les rayons X en raison de leur plus grande capacité à traverser les barrières tissulaires biologiques.

"Les nanoparticules injectées absorbent l'énergie des rayons X et la convertissent en lumière rouge, qui a une profondeur de pénétration significativement plus grande que la lumière bleue, " a déclaré Zhaowei Chen, ancien post-doctorant CNM.

"Ainsi, les nanoparticules servent de source lumineuse interne qui fait fonctionner notre méthode sans fil ni électrode, " a ajouté Rozhkova. Étant donné que l'approche de l'équipe peut à la fois stimuler et réprimer de petites zones ciblées, Rojkova a noté, il a d'autres applications que les troubles cérébraux. Par exemple, il pourrait s'appliquer aux problèmes cardiaques et à d'autres muscles endommagés.

L'une des clés du succès de l'équipe a été la collaboration entre deux des installations de classe mondiale à Argonne :CNM et Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les travaux dans ces installations ont commencé par la synthèse et la caractérisation multi-outils des nanoscintillateurs. En particulier, la luminescence optique excitée par rayons X des échantillons de nanoparticules a été déterminée sur une ligne de lumière APS (20-BM). Les résultats ont montré que les particules étaient extrêmement stables au fil des mois et lors d'expositions répétées aux rayons X de haute intensité.

Selon Zou Finfrock, un scientifique de la ligne de lumière APS 20-BM et de Canadian Light Source, "Ils ont continué à briller d'une belle lumière rouge-orange."

Prochain, Argonne a envoyé des nanoscintillateurs préparés par CNM à l'Université du Maryland pour des tests sur des souris. L'équipe de l'Université du Maryland a effectué ces tests pendant deux mois avec un petit appareil à rayons X portable. Les résultats ont prouvé que la procédure fonctionnait comme prévu. Des souris dont le cerveau avait été génétiquement modifié pour réagir à la lumière rouge ont répondu aux impulsions de rayons X avec des ondes cérébrales enregistrées sur un électroencéphalogramme.

Finalement, l'équipe de l'Université du Maryland a envoyé les cerveaux des animaux pour caractérisation à l'aide de la microscopie à fluorescence X réalisée par des scientifiques d'Argonne. Cette analyse a été réalisée par Olga Antipova sur la ligne Microprobe (2-ID-E) de l'APS et par Zhonghou Cai sur la Hard X-ray Nanoprobe (26-ID) exploitée conjointement par CNM et APS.

Cet arrangement multi-instruments a permis de voir de minuscules particules résidant dans l'environnement complexe du tissu cérébral avec une super-résolution de dizaines de nanomètres. Il a également permis de visualiser les neurones proches et éloignés du site d'injection à l'échelle microscopique. Les résultats ont prouvé que les nanoscintillateurs sont chimiquement et biologiquement stables. Ils ne s'éloignent pas du site d'injection et ne se dégradent pas.

"La préparation des échantillons est extrêmement importante dans ces types d'analyses biologiques, " dit Antipova, un physicien de la Division des sciences des rayons X (XSD) de l'APS. Antipova était assisté de Qiaoling Jin et Xueli Liu, qui a préparé des coupes de cerveau de seulement quelques micromètres d'épaisseur avec une précision digne d'un bijoutier.

« Il existe un intérêt commercial intense pour l'optogénétique pour les applications médicales, " a déclaré Rozhkova. " Bien qu'encore au stade de la preuve de concept, nous prévoyons que notre approche sans fil en instance de brevet avec de petites machines à rayons X devrait avoir un brillant avenir."

L'article connexe "Wireless optogenetic modulation of cortical neurons enabled by radioluminescent nanoparticles" est paru dans ACS Nano .