Ma Clinique s’entretient avec Anne Andrews de l’UCLA sur la mesure des neurotransmetteurs dans le cerveau à l’aide de la voltamétrie et de l’apprentissage automatique. Andrews explique comment son groupe utilise l’optimisation bayésienne pour concevoir de nouvelles formes d’onde de voltamétrie et des modèles de reconnaissance de formes afin de séparer les signaux électrochimiques qui se chevauchent, dans le but de mesurer plusieurs neurotransmetteurs à la fois. Elle discute également du logiciel accessible au public de son laboratoire et de ce qu’il pourrait signifier pour traduire la surveillance neurochimique du contexte de la recherche vers une utilisation dans le monde réel.
Sommaire
Pour commencer, qu’est-ce qui vous a inspiré à poursuivre une carrière scientifique et comment en êtes-vous arrivé à travailler à l’intersection de la chimie analytique et des neurosciences ?
Les sciences ont vraiment commencé pour moi très tôt, dès le collège et le lycée, lorsque j’avais de très bons professeurs de chimie. Alors merci à ceux qui font de cela le travail de leur vie : vous nous influencez.
J’ai ensuite obtenu un diplôme de premier cycle en chimie, puis j’ai d’abord travaillé dans l’industrie. Mon premier emploi était en chimie analytique.
J’ai su tard dans mes années de premier cycle, puis dans ce premier emploi, que j’étais vraiment un mesureur en ce qui concerne la chimie. J’adorais mesurer les choses.
Puis, lorsque j’ai commencé à retourner aux études pour obtenir un doctorat, j’ai accepté un engagement temporaire d’un an à l’Institut national de la santé mentale parce que je voulais une courte immersion dans la recherche fondamentale pour voir si cela me plaisait vraiment avant de m’engager dans le doctorat. C’est là que je suis tombé amoureux des neurosciences.
Depuis, j’essaie de marier les deux.
Nous nous concentrerons aujourd’hui sur la sérotonine et la dopamine. Que savons-nous de leurs rôles normaux dans le cerveau et des conditions auxquelles ils sont liés ?
Je vais vous dire ce que nous savons. Évidemment, il y a beaucoup de choses que nous ignorons, mais la dopamine et la sérotonine sont impliquées à la fois dans le comportement normal et dans les comportements désordonnés associés à un certain nombre de troubles neuropsychiatriques.
Des troubles tels que la dépression et l’anxiété sont associés à la sérotonine, et les troubles liés à la consommation de substances et au mouvement sont associés à la dopamine. Cependant, ils travaillent aussi ensemble, et nous commençons à en apprendre davantage à ce sujet.
Avant d’aborder l’apprentissage automatique, comment les chercheurs ont-ils mesuré ces neurotransmetteurs et comment la microdialyse et la voltamétrie se comparent-elles ?
Nous avons commencé très tôt, bien avant ma carrière et au début de ma carrière, en étant simplement capables de mesurer leurs concentrations dans les tissus cérébraux. ex vivo.
Ensuite, le terrain a développé des méthodes pour commencer à surveiller leurs concentrations in vivo en temps réel. Il existe deux méthodes largement utilisées : la première est la microdialyse et la seconde la voltammétrie, que nous pratiquons toutes deux dans notre laboratoire et sur lesquelles j’ai donné des conférences.
La microdialyse est une technique qui consiste à implanter une membrane semi-perméable, un petit appareil, dans le cerveau, à échantillonner l’espace extracellulaire du cerveau, puis à prélever ces échantillons hors ligne et à les analyser par une méthode instrumentale.
Dans mon cas, nous utilisons la chromatographie liquide haute performance couplée à l’électrochimie. Cela confère, du fait de la séparation, notre capacité à multiplexer.
Avec la technique de voltamétrie, un avantage est que le capteur peut être directement implanté. Les mesures sont effectuées directement sur quelque chose, généralement une microélectrode en fibre de carbone, et comme ce capteur est beaucoup plus petit, nous avons une meilleure résolution spatiale. La résolution temporelle est de l’ordre de la sous-seconde, par rapport à la microdialyse, qui, dans notre cas, est parmi les plus rapides enregistrées à la minute.
Cependant, la voltammétrie souffre du fait que les neurotransmetteurs électroactifs ont des voltamogrammes similaires qui se chevauchent. Cela rend difficile l’examen de plus d’un neurotransmetteur à la fois et la détection des neurotransmetteurs présents à de très faibles concentrations.
Les deux méthodes ont leurs propres forces et faiblesses en termes d’échelles de temps, de résolution spatiale et de capacité de multiplexage. Dans mon groupe, nous avons toujours fait les deux et essayé de tirer parti de ces différences.
Selon vous, quel est le grand avantage de mesurer les neurotransmetteurs en temps réel, plutôt que de simplement prendre des instantanés ?
Le principal avantage, en particulier à mesure que nous améliorons les échelles sur lesquelles nous pouvons mesurer, est d’essayer de décoder la manière dont l’information réside dans les flux chimiques dans l’espace extracellulaire du cerveau. Nous n’en sommes pas encore là, mais les neuroscientifiques, et les neurochimistes en particulier, se rapprochent de plus en plus.
Où l’apprentissage automatique entre-t-il dans votre flux de travail et qu’est-ce qu’il a changé pour vous ?
Lorsque je donne des conférences sur l’apprentissage automatique, je les vois comme un appel aux armes, ou un appel à l’action, sur le terrain, car nous pensons avoir développé des moyens d’utiliser l’apprentissage automatique aux deux extrémités du pipeline de développement de la voltamétrie.
En amont, nous utilisons l’optimisation bayésienne pour explorer très rapidement de très grands espaces de formes d’onde et converger vers des formes d’onde totalement nouvelles présentant les caractéristiques spécifiques que nous souhaitons utiliser.
En back-end, nous utilisons l’apprentissage automatique. Les gens l’appellent désormais communément IA, mais il y a une longue histoire mathématique qui sous-tend cela. Cela nous permet d’analyser des ensembles de données très volumineux, que nous générons à chaque expérience, et de conserver toutes les données dans un voltammogramme, y compris le courant de fond. Cela permet également au modèle d’apprentissage automatique de trouver des modèles dans les données.
Cela nous permet de voir plusieurs choses dont les voltammogrammes se chevauchent en même temps.
Vous avez également mis des logiciels à la disposition d’autres chercheurs. À quoi les gens peuvent-ils accéder aujourd’hui et comment l’utilisent-ils ?
Oui, je suis content que vous ayez demandé. Nous rendons notre logiciel accessible au public ; trois des quatre modules ont déjà été publiés.
Ils sont dans MATLAB et nous avons également une version autonome pour l’utilisateur moyen. Vous n’avez pas besoin d’avoir une licence MATLAB pour utiliser le logiciel. Nous avons également publié tout le code MATLAB sur GitHub, afin que le super utilisateur puisse adapter le code à tous ses cas d’utilisation spécifiques.
Dans les informations supplémentaires de l’article d’accompagnement, nous avons publié des didacticiels et nous proposons également des didacticiels vidéo réalisés par nos étudiants de premier cycle. Nous avons formé des étudiants de premier cycle à ce logiciel, et ils l’ont adopté très rapidement, donc tout le monde devrait pouvoir l’utiliser.
C’est un logiciel vraiment flexible. Vous pouvez concevoir n’importe quelle forme d’onde imaginable en l’utilisant, et elle est importée directement dans le module d’analyse. Vous pouvez modifier la forme d’onde en temps réel lorsque vous effectuez vos analyses.
Toutes vos données, qui peuvent désormais être enregistrées sur plusieurs heures, sont introduites directement dans le module trois pour l’analyse de prétraitement. Et nous publierons bientôt le module quatre, qui vous permettra de travailler avec un certain nombre de modèles d’apprentissage automatique différents. Nous sommes vraiment enthousiasmés par ce que cela permettra au domaine de faire, et les gens devraient faire attention à la sortie de ce dernier module.
Au-delà de la dopamine et de la sérotonine, dans quels autres domaines pensez-vous que ces méthodes pourraient être utiles ?
Il existe un certain nombre d’autres neurotransmetteurs monoamines électrochimiquement actifs que les gens ont analysés par voltamétrie, au-delà de la sérotonine et de la dopamine. Ceux-ci comprennent : la norépinéphrine, l’épinéphrine et l’histamine.
Nous assistons également à de très bons travaux sur l’utilisation de la voltamétrie pour analyser les peptides. Nous avons récemment entendu des conférences et lu des articles basés sur des recherches sur l’ocytocine, les endorphines, la met-enképhaline, etc. Je pense que le nombre d’émetteurs qui seront utilisables, et, espérons-le, ensuite multiplexés, augmente.
Plus largement, qu’aimeriez-vous voir ensuite alors que les chimistes analytiques et les neuroscientifiques collaborent sur ces problèmes ?
Ce que je souhaiterais plus que tout, c’est que ces techniques soient de plus en plus utilisées en traduction. Je pense que c’est une voie à double sens.
On peut imaginer que les neurochimistes s’attaqueront de plus en plus à ces problèmes importants et complexes en neurosciences et en psychiatrie en apprenant à leur sujet, mais aussi en collaborant avec des personnes de ces domaines qui ne sont pas des praticiens et n’ont peut-être pas les capacités techniques nécessaires pour utiliser ce type de techniques.
Déplacer les éléments du laboratoire, de la Flow Cell et des systèmes modèles vers des systèmes qui se rapprochent davantage des conditions du monde réel sera le véritable test de ces méthodes et de la puissance qu’elles peuvent avoir.
Nous sommes ici au Pittcon 2026 à San Antonio, et vous revenez année après année. Qu’est-ce qui vous pousse à revenir à Pittcon ?
Oh mon Dieu, tant de choses ! Tout d’abord, j’ai l’occasion de voir ici en personne de nombreux collègues. Une chose que la pandémie m’a vraiment fait comprendre (et probablement à beaucoup d’autres), c’est que c’est une chose de donner une conférence sur Zoom, quand vous parlez de l’espace ; c’est une autre chose de donner une conférence devant une salle remplie de gens engagés et qui vous posent des questions.
Vous croisez vos collègues dans les couloirs. Vous avez des conversations en temps réel, vous établissez de nouvelles collaborations et vous partagez des informations d’une manière que vous ne faites pas lorsque vous vous rencontrez en ligne. Pittcon est l’une des principales réunions où se réunissent non seulement des chimistes analytiques mais aussi des neurochimistes. Cela m’a donc incité à revenir année après année.
Bien sûr, le salon est toujours merveilleux. J’ai toujours plaisir à voir de nouveaux instruments et à discuter avec les vendeurs eux-mêmes. C’est simplement renouveler, vous savez, sa carrière chaque année que de venir ici pour se rafraîchir.
Mesurer le cerveau en temps réel : neurotransmetteurs, voltamétrie et IA avec Anne Andrews de l’UCLA
À propos de Anne Andrews
Anne Andrews est basée à UCLA, où ses recherches portent sur la mesure des neurotransmetteurs in vivo en utilisant des méthodes électrochimiques telles que la voltamétrie, ainsi que des approches informatiques pour analyser des signaux complexes. Son travail comprend le développement d’outils pour prendre en charge la surveillance neurochimique en temps réel et le partage de ressources logicielles avec la communauté de recherche au sens large.
À propos de Pittcon
Pittcon est la plus grande conférence et exposition en Amérique du Nord sur les sciences de laboratoire, attirant des milliers de participants et d’exposants de l’industrie, du milieu universitaire et du gouvernement du monde entier. Pittcon va au-delà de la conférence typique ; c’est une communauté mondiale dédiée à l’avancement de la science par l’éducation, la collaboration et la philanthropie. En réunissant des scientifiques, des chercheurs, des éducateurs, des étudiants et des leaders de l’industrie, Pittcon crée des opportunités d’apprendre, de se connecter et d’inspirer l’innovation. Au-delà de l’événement lui-même, plus de 90 % des recettes nettes de Pittcon soutiennent des initiatives d’éducation et de sensibilisation scientifiques aux niveaux local et mondial, en finançant des bourses d’études, des subventions, des programmes STEM, des améliorations de laboratoires et d’autres efforts qui renforcent les communautés et élargissent l’accès à la science.
Pittcon offre des opportunités de développement éducatif et professionnel de classe mondiale grâce à son programme technique, ses cours de courte durée et ses ateliers et tables rondes de réseautage. Les participants peuvent explorer les dernières recherches scientifiques à travers des symposiums, des présentations orales et par affiches, améliorer leurs compétences grâce à des cours approfondis dirigés par des experts et se connecter avec leurs pairs grâce à des ateliers interactifs et des expériences de réseautage conçus pour favoriser la collaboration et l’évolution de carrière.
La Pittcon Expo rassemble la communauté scientifique dans un environnement immersif où les participants peuvent découvrir les dernières technologies de laboratoire, rencontrer les principaux fournisseurs d’instruments et de services et expérimenter la science en action. Au-delà des stands d’exposition, l’Expo Floor propose des attractions attrayantes, des expériences éducatives, des démonstrations et des espaces de réseautage, tandis que les réceptions, fêtes et événements sociaux créent des opportunités pour établir des liens durables avec des collègues du monde entier.
