Une étude menée par des chercheurs de l’IBEC et de l’IDIBAPS permet, pour la première fois, de contrôler les transitions d’état du cerveau à l’aide d’une molécule sensible à la lumière, nommée PAI. Les résultats ouvrent non seulement la voie pour agir sur l’activité des schémas cérébraux, mais ils pourraient également conduire au développement de médicaments photomodulés pour le traitement de lésions cérébrales ou de maladies telles que la dépression, les troubles bipolaires ou les maladies de Parkinson ou d’Alzheimer.
Le cerveau présente différents états selon la communication entre des milliards de neurones, et ce réseau est à la base de toutes nos perceptions, souvenirs et comportements. Il est souvent considéré comme une « boîte noire », avec un accès difficile pour les cliniciens et les chercheurs, car peu d’outils limités sont disponibles pour effectuer des études précises et spatiotemporelles sur le comportement neuronal du cerveau. Désormais, des chercheurs de l’Institut de bio-ingénierie de Catalogne (IBEC) en collaboration avec l’Institut de recherche biomédicale August Pi i Sunyer (IDIBAPS) ont apporté un éclairage au sujet : ils ont réussi pour la première fois à contrôler l’activité neuronale dans le cerveau à l’aide d’un molécule sensible à la lumière.
L’étude a inclus des participants de l’Université autonome de Barcelone (UAB) et a été réalisée dans le cadre du Human Brain Project de l’UE. Il décrit la première façon de photomoduler directement les transitions d’état du cerveau in vivo.
Le travail, dirigé par les professeurs de recherche ICREA Pau Gorostiza (IBEC-CERCA, BIST, CIBER-BBN) et Mavi Sanchez-Vives (IDIBAPS) et a été récemment publié dans la revue Sciences avancées. Les résultats montrent que cette nouvelle molécule, nommée PAI (pour Phthalimide-Azo-Iper) peut contrôler spécifiquement et localement les récepteurs cholinergiques muscariniques, c’est-à-dire les récepteurs de l’acétylcholine, un neurotransmetteur cérébral très important dans plusieurs processus comme l’apprentissage de l’attention ou de la mémoire.
Contrôle des transitions d’états cérébraux avec la lumière
Les transitions entre les états cérébraux, comme le passage du sommeil à l’éveil ou le réveil d’un coma, reposent sur la transmission de signaux chimiques et électriques entre des groupes de neurones impliqués dans différentes fonctions. Les techniques actuelles pour moduler l’activité neuronale comme la stimulation magnétique transcrânienne ou ultrasonore ont des limites dans les performances spatio-temporelles et spectrales. Une autre technique de haute précision qui utilise également la lumière pour contrôler les neurones dans l’optogénétique, mais elle dépend de la manipulation génétique, rendant difficile sa traduction à l’homme pour des raisons de sécurité.
Ici, les chercheurs ont appliqué la photopharmacologie pour résoudre ces problèmes. Pour ce faire, ils ont utilisé une molécule précédemment développée à l’IBEC, le PAI, qui est sensible à la lumière et permet une modulation spatio-temporelle des neurones du cerveau, liant et contrôlant l’activité des récepteurs cholinergiques muscariniques, récepteurs clés de l’interaction neuronale et de la communication. En utilisant cette approche, les transitions d’état cérébral dépendantes de l’innervation cholinergique peuvent être contrôlées par la lumière en utilisant des médicaments chimiquement conçus pour être photosensibles.
« Le contrôle de l’activité neuronale dans le cerveau est essentiel pour effectuer des recherches fondamentales et appliquées, et pour développer des techniques sûres et précises pour effectuer des interventions cérébrales thérapeutiques en neurologie clinique », explique Fabio Riefolo (IBEC), co-premier auteur de l’étude. .
Changements dans les états du cerveau
Différents états cérébraux et transitions entre eux sont associés à la fonction cérébrale. Ils sont étroitement liés aux modifications des schémas d’activation cérébrale, qui à leur tour reflètent l’activité et les paramètres de réseaux neuronaux spécifiques. Ainsi, la manipulation des neurones avec un contrôle spatio-temporel est fondamentale pour déterminer la relation entre les états cérébraux et le comportement et pour étudier l’influence des circuits neuronaux sur des comportements spécifiques. De plus, le PAI est pharmacologiquement spécifique d’un sous-type de récepteur muscarinique, M2, qui offre des perspectives intéressantes pour étudier la pharmacologie des ondes cérébrales.
En appliquant le PAI au cerveau intact, puis à la lumière blanche, les chercheurs ont pu moduler les oscillations lentes émergentes spontanées dans les circuits neuronaux et manipuler de manière réversible la fréquence oscillatoire du cerveau. Ce nouvel outil de génie chimique a permis d’induire et d’étudier en détail, de manière contrôlée et non invasive, les transitions du cerveau de l’état de veille à l’état de veille en utilisant l’éclairage direct.
Dans notre cerveau, l’activité neuronale est pilotée par des molécules connues sous le nom de neuromodulateurs, par exemple l’acétylcholine (ACh), par leur liaison aux récepteurs cholinergiques. Cependant, on ne comprend pas complètement la contribution des différentes cellules exprimant les récepteurs ACh dans le comportement global du cerveau. L’utilisation de médicaments cholinergiques sélectifs et photocommutables comme PAI pour obtenir une modulation spatio-temporelle précise de l’activité cérébrale ouvre la voie à des recherches précises en neurosciences fondamentales et au développement de futures thérapies et stimulations cérébrales.
« Le photocontrôle des récepteurs endogènes et de leurs fonctions dans le système nerveux central, comme la transition entre différents états cérébraux, est une réussite pour les technologies de neuromodulation », explique le Dr Almudena Barbero-Castillo (IDIBAPS), co-premier auteur de l’étude .
La source:
Institut de Bio-ingénierie de Catalogne (IBEC)
