Une nouvelle étude fournit les premières preuves visuelles montrant que les circuits cérébraux chez les animaux vivants peuvent être activés par des ondes échographiques projetées en modèles spécifiques (hologrammes).
Dirigée par des scientifiques de NYU Langone Health et de l'Université de Zurich et d'Eth Zurich en Suisse, l'étude décrit un système qui combine des sources d'ondes ultrasonores et une portée de fibre connectée à une caméra pour visualiser dans les cibles cérébrales de souris d'étude qui sont directement activées par le son. Cela jette les bases, selon les auteurs de l'étude, pour une nouvelle façon de traiter les maladies neurologiques et les troubles de la santé mentale de l'extérieur du corps.
Déjà, il existe des applications approuvées par la Food and Drug Administration et conçues pour réduire les symptômes de tremblements observés dans la maladie de Parkinson, en utilisant des ondes sonores intenses pour tuer les cellules cérébrales appelées neurones dans les voies neuronales liées aux tremblements. Plutôt que de tuer les neurones, les ondes échographiques à faible intensité utilisée dans le travail actuel peuvent les activer temporairement, selon les chercheurs. Les effets résultants peuvent être répandus car les neurones relaient les messages à d'autres neurones dans leurs circuits et entre les circuits neuronaux interconnectés.
L'observation directe des effets de cette technologie, appelée stimulation par échographie transcrânienne (TUS), dans un cerveau vivant est difficile, mais étudier les neurones dans un plat en laboratoire ne reflète pas avec précision la façon dont les ondes échographiques voyagent à travers le crâne ou se comportent dans des tissus tridimensionnels. Pour que la thérapie par TUS soit sûre et efficace, selon les chercheurs, les ondes échographiques doivent cibler des zones cérébrales spécifiques et doivent être calibrées afin que le signal soit suffisamment fort pour pénétrer le crâne, mais pas si fort que pour endommager les tissus cérébraux délicats.
Publié dans la revue Génie biomédical de la nature En ligne le 7 juillet, la présente étude a présenté des expériences réalisées dans un cerveau vivant qui se reproduisait avec précision comment un neurone activé dans une partie du cerveau peut avoir des effets de grande envergure à travers des circuits connectés.
Nos travaux montrent que l'activation des ensembles entiers de réseaux de neurones avec une stimulation par échographie transcrânienne dans un cerveau de souris vivant est possible. «
Shoham, doctorat, auteur de l'étude Co-Senior
L'auteur de l'autre co-Senior est Daniel Razansky, PhD, à l'Université de Zurich et eth Zurich en Suisse.
« Nous avons également constaté qu'en nous concentrant sur les circuits des neurones qui sont distribués entre les régions du cerveau plutôt que dans une région individuelle, TUS exploite les interconnexions dans les circuits pour rendre les neurones ciblés 10 fois plus sensibles à l'échographie », » Said Shoham, qui est codirecteur de l'Institut Tech4Health de NYU Langone Health, et professeur dans les départements en ophtalmologie et neurosciences de la NYU Grossman School of Medicine. « Cette découverte rend potentiellement la technique plus efficace, abaisse la puissance échographique requise et pourrait ouvrir la voie à des traitements de stimulation par ultrasons transcrâniens plus sûrs à l'avenir. »
Pour étudier l'activation des circuits dans un cerveau intact, les chercheurs devaient frapper plusieurs régions cérébrales avec des ondes sonores tout en surveillant directement quels neurones s'activent dans le processus.
Sous la direction de Shoham et Razansky, les chercheurs se sont positionnés au-dessus de la tête de la souris un tableau en forme de casque de 512 émetteurs échographiques qui a été développé par l'équipe suisse, l'équipe a créé des holograms à partir d'images en ultrasons (comme Princess Leia dans les films Star Wars). Des ondes sonores interférant les uns avec les autres peuvent également créer des « images » – dans ce cas, concentrant essentiellement les vagues du son provenant des émetteurs en modèles géométriques définis, tels que des triangles ou des pentagones, à la surface du cerveau.
À mesure que les neurones dans les régions axées sur l'hologramme se sont activées, ils ont généré un signal de fluorescence que la caméra a enregistré, permettant aux chercheurs de mesurer dans la mesure dans laquelle différentes régions cérébrales ont été activées en réponse au TUS.
« Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur la façon dont la stimulation par échographie transcrânienne active les circuits au sein d'un organisme vivant », a déclaré Shoham. « Nous espérons que les techniques et les modèles de calcul que nous avons développés aideront d'autres chercheurs fondateurs à sonder les mécanismes de différents circuits cérébraux.
À l'avenir, Shoham a déclaré que les chercheurs souhaitaient explorer l'activation des circuits neuronaux plus complexes et tester s'ils peuvent utiliser l'échographie pour activer les circuits situés plus profondément dans le cerveau. Certaines applications sont déjà testées dans la clinique.
Un soutien au financement de cette étude a été fourni par les subventions des National Institutes of Health RF1NS126102 et R01NS109885. Un financement supplémentaire a été fourni par la Swiss National Science Foundation.
Le Fellow Theo Lemaire postdoctoral est un co-chercheur de NYU Langone impliqué dans cette étude. D'autres co-chercheurs de l'étude sont le premier auteur Hector Estrada, Yiming Chen, Neda Davoudi, Ali Özbek et Qendresa Parduzi à l'Université de Zurich et Eth Zurich.
